Ракетные твердые топлива. Ракетные двигатели на твердом топливе

Влияние степени пластификации. Введение пластификато-

ра в заливочный порох и регулирование соотношения заливочный порох/заливочный растворитель в процессе заполнения формы обеспечивают возможность получения топлив с широким диапазоном механических свойств.

Рассмотрим случай заливочного пороха, содержащего 45 % твердых наполнителей: может быть введено до 30 % нитроглицерина вместо нитроцеллюлозы. Это замещение вызывает изменение степени пластификации (пластификатор/пластификатор+полимер) топлива в диапазоне приблизительно 50–80 %. Можно видеть, что величина максимального напряжения m уменьшается при всех температурах, деформационные характеристики увеличиваются при низких температурах (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Изменение m и m как функции степени пластификации

171

При уровне пластификации 65–70 % максимальное напряжениеm при 65 °С обычно падает до значений ниже чем 0,5 МПа. Это может означать, что такая прочность неприемлема для твердотопливных зарядов и возникает необходимость поперечной сшивки нитроцеллюлознойсетки, чтобыулучшитьмеханические свойства топлива.

Влияние наполнителей. Качество покрытия нитроцеллюлозным связующим является критическим элементом в обеспечении механических свойств конечного топлива. Как и в случае смесевых топлив или топлив XLDB, необходимо оптимизировать реологические свойства связующего и распределение частиц по размерам наполнителей. Кроме этого, качество адгезии связующее – наполнитель зависит также от природы наполнителя. На рис. 4.7 показано изменение объема ∆V/V, записанное с помощью газового дилатометра Фарриса для двух твердых ракетных топлив CMCDB, одно из которых содержит 30 % перхлората аммония, а другое – 30 % гексогена. Оказывается, что составы с перхлоратом аммония показывают лучшую адгезию на границе связующее – наполнитель, чем составы, наполненные нитраминами с идентичными частицами. Расслаивание имеет место только при более высоких деформациях, и общее изменение объема ∆V/V, несомненно, меньше.

Рис. 4.7. Поведение твердого ракетного топлива CMCDB, наполненных 30 % ПХА (▲) и 30 % гексогена (●), оцененное с помощью газового дилатометра Фарриса

172

Специальный случай топлива EMCDB. При степенях пла-

стификации более 65–70 % необходимо поперечно сшить нитроцеллюлозу, чтобы повысить максимальное напряжение ( m) этих перспективных литьевых двухосновных твердых ракетных топлив (CDB) при высоких температурах. Величины деформации при низких температурах получаемых топлив улучшаются, и они могут быть использованы в прочно скрепленных зарядах. Усиление полимерной сетки может быть получено:

либо прямым поперечным сшиванием нитроцеллюлозы;

либо поперечным сшиванием нитроцеллюлозы с небольшим процентным содержанием гидроксилсодержащего форполимера (предпочтительно, сложного полиэфира), этот форполимер вводится в заливочный порох или растворяется в заливочном растворителе до заливки.

Небольшого количества бифункциональных изоцианатов достаточно, чтобы получить увеличение деформационной способности при высоких температурах. Оптимизация достигается при соотношении NCO/OH ниже чем 0,1. Механические свойства EMCDB с 30 % гексогена показывают преимущество поперечного

сшивания для увеличения прочностных ( m) возможностей при 60 °С и эффективность форполимера для улучшения деформаций при –40 °С (табл. 4.8).

Таблица 4 . 8

Влияние поперечного сшивания на механические свойства твердых ракетных топлив EMCDB, содержащих 30 % гексогена

НЦ – нитроцеллюлоза.

173

Механическое поведение топлив XLDB и НЕПЕ. Механиче-

ские свойства этих твердых ракетных топлив также формируются после отверждения, так как эта фаза разрабатывается, чтобы активировать процесс поперечного сшивания связующего.

Конечные механические свойства зависят от состава связующего, наполнителей, вводимых в связующее и режимов технологического процесса. Особое внимание должно быть уделено характеристикам связующих твердых ракетных топлив XLDB, обусловленных высоким содержанием в них пластификатора (вплоть до 70–75 %).

Характеристика связующих твердых ракетных топлив

XLDB. Исследования по совершенствованию связующих для твердых ракетных топлив XLDB показали влияние параметров состава, таких как природа пластификатора и форполимера, природа изоцианатов и катализаторов для поперечной сшивки. На основе результатов измерения плотности поперечной сшивки были выявлены следующие тенденции:

1)увеличение уровня пластификации приводит к уменьшению плотности поперечной сшивки, которая имеет тенденцию значительно падать, когда отношение пластификатор/полимер близко к 3;

2)уменьшение плотности поперечной сшивки также обнаруживается, если увеличивается молекулярный вес форполимера;

3)включение в качестве агентов для поперечной сшивки полиолов с высоким молекулярным весом (например, нитроцеллюлоза и ацетобутират целлюлозы) повышает плотность поперечной сшивки;

4)плотность поперечной сшивки является оптимальной, когда соотношение NCO/OH несколько больше стехиометрического;

5)наблюдается довольно хорошее соответствие между плотностями поперечной сшивки связующего и их механическими свойствами. Возможно установить линейную зависимость между этими двумя параметрами для простых систем с полиоксиэтиленгликолем или полигликольадипинатом.

174

Влияние наполнителей. Как и в случае всех композиционных или смесевых структур, механические свойства связаны с взаимодействием связующего и наполнителя. Если имеется передача напряжений от связующего к наполнителям, то это явление характеризует физическое усиление, вызывая увеличение модуля и в то же самое время приводя к уменьшению деформаций. Способность к наполнению связующих ограничена, и эти пределы, в частности, зависят от природы полимера, содержания пластификатора и природы наполнителей. В табл. 4.9 приведены некоторые типичные значения напряжений m и деформаций m для твердых ракетных топлив XLDB на основе сложного полиэфирного связующего с различными содержаниями наполнителей.

Таблица 4 . 9

Изменение механических свойств твердых ракетных топлив XLDB как функции общего содержания наполнителей

Как и в случае смесевых твердых ракетных топлив на основе полиуретанового связующего, оптимизация механических свойств требует:

подбора распределения частиц по размерам различных выбранных твердых наполнителей;

контроля уровней влажности, который должен быть достаточно низким, насколько это возможно.

175

Некоторые наполнители могут влиять на развитие полиуретановых сеток, пластифицированных нитроэфирами. Это имеет место, в частности, при наличии перхлората аммония, который имеет низкую растворимость в форполимерах, обогащенных простыми эфирными связями, таких как полиоксиэтиленгликоли (ПЭГ). В результате этого в соответствующих топливах происходит уменьшение максимальных напряжений ( m) при температуре окружающей среды.

Условия отверждения топлив. Условия отверждения топ-

лив (время, температура) определяются по стабилизации механических свойств. Для прочно скрепленных зарядов стремятся к самым низким, насколько это возможно, температурам отверждения, чтобы уменьшить тепловые напряжения, связанные с охлаждением. В зависимости от типа топлива, температуры отверждения колеблются в пределах от 40 до 60 °С, а время отверждения, необходимое для стабилизации механических свойств, составляет обычно от 10 до 20 дней.

4.7. Скорость горения перспективных твердых ракетных топлив на энергетическом полимерном связующем

4.7.1. Скорость горения твердых ракетных топлив CMCDB

Твердые ракетные топлива CMCDB является одним из видов семейства двухосновных твердых ракетных топлив. Поэтому подбор их характеристик делается путем изменения характеристик связующего за счет ввода баллистических модификаторов, используемых также для двухосновных топлив.

Введение нитраминов компенсирует более или менее эффекты «суперскорости», вызванные присутствием модификаторов скорости горения. К. Суми и Н. Кубота [58] описывают отрицательное влияние повышенных количеств октогена в топливе, катализируемом системой салицилат свинца/этил-2 гексонат свинца, эффект «плато» исчезает при содержании октогена выше 27 %.

176

В общем проявляются эффекты, которые характеризуются, в частности, уменьшением уровня скоростей горения, менее заметными эффектами «плато» и, тем не менее, довольно корректными для содержания наполнителя вплоть до 40 %. Имеются даже баллистические модификаторы на основе солей меди и свинца, которые остаются фактически не чувствительными к количеству нитрамина: сохранение эффекта «плато», весьма небольшое уменьшение скорости горения в районе «плато» (рис. 4.8), сохранение хорошего температурного коэффициента (<0,15 % на 1 °С) и возможность регулирования скорости горения хорошо известными добавками, такими как сажа.

Рис. 4.8. Скорости горения топлив CMCDB как функции содержания гексогена при различном содержании сажи

Сравнение гексогена с октогеном. Несколько худшие харак-

теристики горения наблюдаются в экспериментах при замене гексогена октогеном: более низкая скорость горения, менее выраженный эффект «плато» и несколько повышенный температурный коэффициент.

Влияние перхлората аммония. Введение в катализируемые топлива CMCDB или EMCDB перхлората аммония приводит к подавлению эффекта «плато» даже в очень небольших количествах

(рис. 4.9).

177

Исследования новых баллистических модификаторов показывают, что в настоящее время существуют проблемы применения этих твердых ракетных топлив с их использованием. Это связано

стем, что некоторые добавки, в частности те, которые созданы на основе свинца, оказываются эффективными катализаторами для поперечного сшивания, которые могут сделать их применение несовместимым с массовым производством.

Твердые ракетные топлива XLDB с нитраминами и пер-

хлоратом аммония. Перхлорат аммония действует как весьма эффективный баллистический модификатор. Можно регулировать скорость горения в очень широком диапазоне путем изменения содержания и размера частиц окислителя. На рис. 4.10 приведена зависимость изменения скорости как функция изменения соотношения перхлорат аммония – октоген в твердом ракетном топливе

собщим содержанием наполнителей 70 %.

Рис. 4.10. Твердое ракетное топливо XLDB с 70 % наполнителей (октоген – ПХА). Изменение скорости горения как функции содержания ПХА (размер частиц 10 мкм)

Помимо обычной роли, которую играют размер частиц и количество ПХА, можно также отметить следующее:

179

1.Связующие на основе простых полиэфиров обеспечивают скорости горения, которые выше, чем скорости горения, получаемые на связующих на основе сложных полиэфиров.

2.Показатели в законе скорости горения имеют тенденцию уменьшаться, если содержание перхлората аммония увеличивается. Они уменьшаются быстрее, если размер окислителя меньше, достигая минимальных значений, которые также зависят от размера частиц ПХА. В случае мелкого перхлората аммония (3 мкм) показатель в законе скорости горения находится в области 0,50–0,55,

вто время как в случае несколько более крупного ПХА (10 мкм) показатель в законе скорости горения может снижаться до величины 0,45 и меньше.

4.8.Энергетические характеристики

4.8.1. Теоретическое совершенство

Удельный импульс (Is) и объемный удельный импульс (Isρ), теоретически достигаемыеэтими топливами, представлены в табл. 4.10.

Таблица 4 . 1 0

Теоретическое совершенство, достигаемое для твердых ракетных топлив с перспективными энергетическими связующими

*Величины Is и Isρ увеличиваются, если топлива поперечно сшиты, что обусловлено присутствием больших количеств нитроэфиров в нитроцеллюлозном связующем.

Is и Isρ развиваются по-разному, в соответствии с природой твердых наполнителей, вводимых в связующие:

Если наполнитель является нитрамином, то Is и Isρ увеличиваются фактически по линейному закону, когда количество

180