Ракетные твердые топлива. Ракетные двигатели на твердом топливе

гексогена или октогена увеличивается. Так как гексоген и октоген имеют достаточно близко связанные термодинамические характеристики, то замещение одного из них другим оказывает небольшое влияние на величину Is. Но различие видно в величине объемного удельного импульса, обусловленное тем фактом, что плотность гексогена ниже, чем октогена: соответственно

1,818 и 1,903 г/см3.

Комбинация перхлората аммония (ПХА) с нитрамином позволяет получить прирост совершенства, однако их пропорции оптимизируются как функции природы используемых связывающих

(рис. 4.11).

Рис. 4.11. Изменение Is как функции соотношений октогена и перхлората аммония для твердых ракетных топлив XLDB c 70 % содержанием твердых наполнителей, связующее которых пластифицировано либо нитроглицерином, либо триэтиленгликольдинитратом

Включение металлического горючего, такого как алюминий, в сочетании с окислителем (перхлорат аммония + нитрамин) позволяет получить высокие значения Is и Isρ. Как и в случае смесе-

181

вых топлив, необходимо, однако, оптимизировать соотношения различных наполнителей, чтобы достичь максимального совершенства. Оптимальное содержание алюминия для топлив НЕПЕ колеблется в пределах от 15 до 20 %.

4.8.2. Измеренное совершенство

Экспериментальные измерения удельного импульса выполняются на стандартизованных эталонных зарядах во время стендовых огневых испытаний. Используемые твердотопливные заряды обеспечивают радиальное горение.

Измеренные удельные импульсы показывают небольшое падение в сравнении с компьютерным прогнозом, которые не учитывают различные потери, связанные с природой заряда и условий огневых испытаний (табл. 4.11).

Таблица 4 . 1 1

Теоретическое и измеренное совершенство нескольких типовых перспективных твердых ракетных топлив на энергетическом связующем

Кроме того, присутствие металла, такого как алюминий, создает проблему эффективности горения (обусловленную влиянием размера частиц, количества горючего, влиянием условий огневых испытаний и размером заряда). В табл. 4.11 показано достаточно ясно, что разница между теоретическим удельным импульсом Is и измеренным Is несколько выше для алюминизированных топлив.

182

4.9. Функциональные характеристики

4.9.1. Сигнатура

Сигнатура заряда оценивается способностью производить дым (первичный или вторичный) или создавать условия дожигания (повторное воспламенение газообразных продуктов сгорания).

Сигнатура перспективных топлив на энергетическом связующем зависит, главным образом, от природы наполнителей, вводимых в топливо (табл. 4.12).

Таблица 4 . 1 2

Классификация перспективных твердых ракетных топлив на энергетическом связующем по их способности генерировать дым

Способность этих твердых ракетных топлив генерировать дым и пламя рассматривается в следующих разделах.

Первичный дым. Обычные энергетические связующие, состоящие из атомов C, H, O и N, не генерируют первичный дым. Это также справедливо для окислителей, содержащихся в этих связующих (гексоген, октоген, перхлорат аммония). В результате этого высвобождение первичного дыма топливами CMCDB и XLDB связано, главным образом, с присутствием добавок, содержащих атомы металлов, которые вводятся в состав топлива, чтобы соответствовать специальным операционным требованиям. Этими добавками, которые вводятся в небольшом количестве, являются:

183

баллистический модификатор (например, соли свинца

имеди);

демпфирующие частицы, иногда требуемые для радиально горящих зарядов;

подавители процесса дожигания, включающие в себя ионы щелочных металлов (наиболее часто используется ион калия), которые разлагаются при горении, но могут вызвать реакции рекомбинаций в газовой фазе, которые подавляют сигнатуру.

Вторичный дым. Вторичный дым является характеристикой топлив, которые содержат перхлорат аммония. Образование аэро-

золей H2O/HCl зависит, с одной стороны, от атмосферных условий (температура и относительная влажность), а с другой стороны, от

количества NH4ClO4 в составе топлива.

Дожигание. Явление дожигания может быть подавлено введением добавок на основе щелочных металлов (натрия и особен-

но калия: K2SO4, KNO3, K3AlF6 и др.). Однако при выборе добавок для новых твердотопливных составов должна быть принята во внимание не только ее специальная функция по подавлению дожигания, но и такие критерии, как влияние на баллистические

свойства, химическую и термическую стабильность топлива, а также на возможные эффекты на реактивную струю (первичный дым).

4.9.2. Нестабильность горения

Нестабильности продольные, а также поперечные, которые обычно возникают в радиально горящих зарядах, являются предметом теоретических исследований, поэтому для прогнозного анализа могут быть разработаны компьютерные программы. Это является очень интересным подходом, так как позволит уменьшить число продолжительных и дорогих экспериментов, которые необходимо выполнить, в частности, в случае разработки больших ракетных двигателей. Для зарядов средних размеров, предназначенных для тактических целей, можно и даже полезно определить экспериментально стабильные зоны горения.

184

Условия появления поперечной нестабильности. В данном твердом ракетном топливе возникновение нестабильности горения связано, с одной стороны, с условиями работы двигателя, а с другой – с конструкцией твердотопливных зарядов (рис. 4.12).

Рис. 4.12. Идентификация зоны стабильного горения как функции размерных характеристик твердотопливного заряда

(CMCDB c 30 % гексогена)

Условия сжигания. Преобладающим фактором является давление. Нестабильности обычно имеют место при низком давлении, колебания увеличиваются по мере уменьшения давления. Для конкретного давления температура работы двигателя может также влиять на возбуждение нестабильности.

Геометрия твердотопливных зарядов. Вкладные заряды ха-

рактеризуются постоянным диаметром (D), критической длиной заряда (L), при превышении которой появляется нестабильность.

185

И наоборот, для зарядов постоянной длины (L) можно определить начальный диаметр центрального канала (D), выше которого горение будет стабильным. И, наконец, комбинируя эти результаты различных экспериментальных испытаний, можно получить более точное определение размеров заряда, обеспечивающих стабильную работу (см. рис. 4.12).

Функция демпфирующих частиц. Демпфирование колебаний давления в камере сгорания может быть получено за счет твердых частиц в газообразных продуктах сгорания. Для каждой определенной вибрации требуется соответствующий размер частиц. При проектировании заряда имеются два путипредпринимаемых действий:

1.Введение металлических добавок (алюминия или вольфрама, например), которые при сгорании образуют конденсированные

продукты (Al2O3, W2O3 и т.д.). Это является наиболее широко используемым решением, но оно не обеспечивает возможности регулирования размера частиц, которые образуются при сжигании.

2.Введение тугоплавких добавок с температурами плавления выше, чем температура горения топлив. Это позволяет лучше оптимизировать размер демпфирующих частиц, при условии, если вибрационные частоты заряда известны. Демпфирующие частицы, которые могут быть добавлены в топлива CMCDB или XLDB, от-

носятся к семейству окислов (SiO2 – ZrO2 – Al2O3, например), карбидов (SiC – ZrC – BC) или нитридов.

Если возникает необходимость введения добавок для стабилизации горения заряда, то при этом должно учитываться их влияние на другие свойства:

совершенство: металлы (алюминий, например) повышают удельный импульс, а тугоплавкие добавки уменьшают его;

скорость горения: эти добавки могут вызвать возмущение

взаконе скорости горения, особенно в случае топлив CMCDB и XLDB, которое содержат катализаторы, используемые в двухосновных топливах;

сигнатура: твердые частицы, попадающие в реактивную струю, ответственны за образование первичного дыма.

186

187

стабилизаторов, функциями которых является связывание окислов азота, образующихся при разложении нитратных групп.

Стабилизаторы, используемые в твердых ракетных топливах CMCDB и XLDB, которые содержат перхлорат аммония, часто являются теми же самыми, которые используются в гомогенных топливах: 2-нитродифениламин (2-НDФА) и N-метил-n-нитроанилин (МНА), например. Если они содержат перхлорат аммония, то резорцин (или резорциновые производные) в сочетании с 2-HDФА также являются эффективными.

Механизмы разложения нитроэфиров и взаимодействие окислов со стабилизаторами достаточно полно описаны в литературе. Химическая стабильность эффективных топлив на энергетическом связующем может зависеть от некоторых ингредиентов связующего и природы наполнителей, а также от различных добавок, необходимых для обеспечения функциональных характеристик твердотопливного заряда.

Влияние связующих. Увеличение содержания энергетического пластификатора в связующем вызывает более быстрое расходование стабилизатора. Полиуретановые связующие, пластифицированные энергетическими нитроэфирами обычно показывают химическую стабильность, которая ниже, чем химическая стабильность нитроцеллюлозных связующих. Среди параметров, которые влияют на стабильность, можно выделить:

природу полиизоцианатов: в общем, ароматические полиизоцианаты обеспечивают несколько лучшую химическую стабильность;

природу форполимера: форполимеры, обогащенные простыми эфирными связями приводят к меньшей химической стабильности.

Влияние наполнителей. Нитрамины (гексоген и октоген) яв-

ляются химически стабильными. Они не принимают участия в сильной степени в разложении эффективных топлив на энергетическом связующем. Перхлорат аммония, с другой стороны, играет особенную роль при изменении механизмов разложения нит-

188

роэфиров и механизмов взаимодействия окислов азота со стабилизаторами. При стандартных условиях старения (50–70 °С) это выражается в виде более низкого расходования стабилизатора и более низких газовыделений.

Влияние добавок. Включение добавок даже в небольших количествах может вызвать значительные изменения в кинетике разложения нитроэфиров. Это справедливо в случае баллистических модификаторов.

Механическое старение. Основными причинами изменения механических свойств эффективных твердых ракетных топлив на энергетическом связующем являются: наличие нитроэфиров, системы поперечного сшивания, мобильность пластификаторов и окружающие условия.

Наличие нитроэфиров. Окислы азота, образующиеся при разложении нитроэфиров, имеют способность реагировать прямо с полимерными цепями, или при соединении со следами влаги, присутствующими в топливе, образовывать химические вещества (например, HNO3), которые, в частности, являются агрессивными по отношению к полимерам (разрыв цепей за счет кислотного гидролиза). Это приводит к деполимеризации, вызывающей уменьшение модуля Юнга материала. Однако это механическое старение может быть минимизировано за счет ввода химических стабилизаторов, действующих эффективно внутри топлива.

Отверждающие агенты. Могут иметь место обстоятельства, когда поперечное сшивание не полностью завершается в конце фазы отверждения. При хранении механические свойства топлив могут изменяться в направлении небольшого упрочнения, вызываемого продолжением полимеризации. Кроме того, последующее образование вторичных продуктов при поперечном сшивании, обусловленное присутствием следов влаги, например, может оказывать влияние на кинетику саморазложения нитроэфиров.

Подвижность или мобильность пластификаторов. В процес-

се старения пластификатор может мигрировать в материалы, которые находятся в контакте с топливом (бронепокрытие, лайнер и

189

т.д.). Локальное уменьшение пластификатора вызывает твердение топлива. Разработка связывающих материалов для эффективных топлив с энергетическим связующим не полностью исключает риск диффузии, но доводят ее до такого низкого уровня, что не подвергают риску нарушение целостности около границ раздела.

Факторы окружающей среды.

Влажность: влага, связанная с продуктами разложения нитроэфиров ускоряет кислотный гидролиз нитроцеллюлозы и сложных полиэфиров, например. Влага, наиболее вероятно, оказывает некоторое влияние на качество адгезии связующее–наполнитель.

Воздух (кислород): старение в окисляющей атмосфере (выдержка на воздухе, например) может усиливать падение механических свойств. Чтобы предупредить этот процесс, твердотопливные заряды должныхраниться в инертнойатмосфере, такойкаксреда азота.

Температура: совершенно очевидно, что процессы механического старения при окружающей температуре довольно медленные; их кинетика ускоряется, когда температура при хранении зарядов увеличивается.

В практических целях мы должны помнить, что топливо CMCDB без поперечной сшивки имеет малую склонность к механическому старению. Но топлива, механические характеристики которых получаются при поперечном сшивании (главным образом топлива XLDB), являются более чувствительнымик этому типу старения.

Баллистическое старение. Эффективные топлива на энергетическом связующем не показывают значительного изменения их баллистических характеристик во времени. Факторы, которые могут влиять на эти свойства, связаны с изменениями в составе топлив, а именно: потеря пластификатора (диффузия в бронепокрытии или летучесть); химическиеизменениямодификаторовскорости горения.

4.11. Характеристики безопасности

Твердые ракетные топлива, прежде всего, являются материалами, горение которых представляет основной риск. Разработка новых высокоэнергетических твердых ракетных топлив вносит

190