Ракетные твердые топлива. Ракетные двигатели на твердом топливе

Наиболее близко к классификации и стандартизации порохов и твердых ракетных топлив приблизились французские исследователи. В основе классификаций у ряда авторов химический состав, производственный процесс, иногда некоторые функциональные характеристики, такие как дымообразование, механические свойства (например, эластомерное модифицированное двухосновное топливо).

Гомогенными твердыми ракетными топливами называют двухосновные твердые ракетные топлива. Во фракции они подразделяются на два типа:

1)экструдированные двухосновные твердые ракетные топлива без растворителя;

2)литиевые двухосновные твердые ракетные топлива.

Когда высокоэнергетические твердые компоненты вводятся в это топливо, то оно становится смесевым модифицированным двухосновным топливом (CMDB). Это название используется только для литиевых топлив, даже если некоторые экструдированные двухосновные топлива (EDB) содержат окислители или энергетические твердые вещества. Также разрабатываются эластомерные модифицированные литиевые топлива EMCDB. Они являются литиевыми двухосновными топливами, в которых эластомерное связующее добавляется к двухосновному. В эти топлива могут добавляться высокоэнергетические вещества. По французской номенклатуре эти топлива являются смесевыми и они имеют общее название – нитраголы. Если они содержат перхлорат аммония, то эти топлива называются нитралитами и т.д. Вышеуказанные топлива будут классифицированы как топлива с минимальным дымообразованием, если их формула будет содержать только атомы C, H, O, N.

В английской терминологии смесевые твердые ракетные топлива названы в соответствии с типом их связующего, например, HTPB (гидроксилсодержащий полибутадиен) или полиуретановые топлива, что, конечно, означает некоторую двусмысленность, за исключением того факта, что большинство смесевых топлив используют в качестве окислителя перхлорат аммония.

11

Присутствие твердого порошкообразного горючего является менее ясным, так как все больше и больше твердых топлив «с уменьшенным» дымообразованием, т.е. без металлического горючего, используются в практических целях. Во Франции название твердых топлив изменяется в соответствии с основными компонентами состава, например, смесевое твердое ракетное топливо на основе полибутадиена, ПХА и алюминия называется «буталан». Без алюминия оно называется «буталит».

Так называемые высокоэнергетические топлива являются смесевыми твердыми ракетными топливами с энергетическим связующим. Наиболее типичным является использование связующего пластифицированного нитроэфирами и их сокращенная абревиатура XZDB – поперечно сшитые смесевые двухосновные топлива, даже если в них почти не содержится нитроцеллюлозы в качестве связующего, их название – нитраргол. Малодымные XZDB на основе октогена называются нитрамитами.

Термин «минимальное дымообразование», или «уменьшенное дымообразование», конечно, является недостаточным для четкой диффренцации топлив. Сейчас проводятся исследования по определению уровня дымообразования, чтобы иметь возможность сравнить различные топлива. Идея заключается в характеризации первичного и вторичного дымообразования (Al2O3, HCl).

В США также нет четкой классификации порохов и твердых ракетных топлив, хотя, например, серия артиллерийских порохов имеет индекс «М»:

топливо М-14 – одноосновное (НЦ – 89 % (13 % N), ДНТ –

8 %, ДБФ – 2 %, ДФА – 1 %);

топливо М-30 А 1 – двухосновное (НЦ – 27 % (12,6 % N), НГ – 24,3 %, нитрогуанидин – 47,2 %);

топливо М-43 – малоуязвимое (НЦ – 4 % (12,6 % N), гексоген – 76 %, ацетобутират целлюлозы (АБЦ) – 12 %, пластифика-

тор – 8 %).

В то же время самое известное топливо имеет индекс JА-2 (НЦ – 59 %, 13,1 % N), НГ – 15 %, ДНДЭГ – 25 %, акорзит II – 1 %).

12

Новое поколение топлива на основе нитратоэтилнитрамина (НЕНА – NЕNА) имеет обозначения:

НЕНА-О, NЕNА-О (метил НЕНА – 14,85 %, НЦ – 49,95 %, ДИНА – 34,70 %, цетролит – 1 %);

НЕНА-Бу 15 (NЕNА-Bu-15) (бутил НЕНА – 14,85 %, НЦ – 49,95 %, ДИНА – 34,70 %, цетролит – 1 %).

Составы смесевых модифицированных твердых топлив из-

вестны под индексами FKM, VRP, VWC, ND-N, UTP, SPiSS, кото-

рые соответствуют определенным фирмам и кампаниям.

Во Франции известен порох В. Это одноосновный порох, стабилизированный 1,5 % ДФА (дифиниламина). Классификации проводятся по форме пороховых элементов, путем добавления к названию пороха суффикса: например, Poudre-B Ba. Если форма порохового элемента – короткие прутки (цилиндрики), то суффикс Ва, если полосы, ленты – Bd, длинные прутки, шнуры – Cd, диски – Di, чешуйки (старая деноминация) – FP, чешуйки (новая деноминация) – Pa, обкатанные сферы – Se, сферы – SP, трубки с 7 каналами – 7Т, трубки с 19 каналами – 19Т, разрезные трубки –

Tf, трубки – TU.

Финская промышленность классифицирует одноосновные

идвухосновные пороха по сериям:

N100 – одноосновные пороха с различной степенью флегматизации (НЦ, стабилизатор, уменьшающий пламя агент, гра-

фит). Выпускаются марки порохов N110, N120, N130, N133, N135, N140, N150, N160, N165, N170, отличающиеся по форме и разме-

рам пороховых элементов, содержанием энергии, объемной плотностью, скоростью горения.

N300 – одноосновные пороха с различной пористостью.

Выпускаются марки порохов: N310, N320, N330 N340, N350, 3N37, N105, несколько отличающиеся размером пороховых элементов, содержанием энергии, объемной плотностью и скоростью горения.

N500 – двухосновные экструдируемые топлива штатного состава (НЦ, НГ, стабилизатор, агент, уменьшающий пламя, агент, уменьшающий износ ствола, покрывающий агент). Выпускаются

13

марки порохов: N540, N550, N560, отличающиеся размером пороховых элементов, содержанием энергии, объемной плотностью и несколько по скорости горения.

Была сделана попытка классифицировать пороха для стрелкового оружия, причем в качестве классификации была выбрана скорость горения. Оказалось, что относительная скорость горения отличается на порядок.

Название марок порохов разнообразно, судя по этому названию, оценить тот или иной порох невозможно. Например: R-1 (Norma), Bullseye (Alliaut), Solo 1000 (Scot), N2 (Accurate arms), Red Dot (Alliaut), Clays (Hodgdon), Royal Scot (Scot) и т.д. Общий список состоял из более 100 наименований порохов в том числе и финских.

Российские составы порохов и твердых топлив также не подвергались строгой классификации. Индексы обычно присваивались предприятиями-разработчиками. Иногда базой служило используемое связующее: тиокольные каучуки (серия ТФА), полиэфирные связующие (ПАЛ, ПФМ), бутилкаучук (БК, Т-9 БК), полидивинилизопреновый каучук (ПД). В аббревиатуре иногда вводились числа, характеризующие содержание связующего и алюминия, например: По 17/18, ПД 13/5, ПД 12/20 и т.д.

Определенная систематизация твердых топлив проводилась в соответствии с их характеристиками: быстрогорящие, медленногорящие, морозостойкие, с малой и большой зависимостью в законе скорости горения и т.д.

Более строгая классификация порохов и топлив проводилась по классам опасности и классам совместимости, определяющим правила создания современных пожаровзрывоопасных производств. Эта оценка проводилась для каждого состава, особенно содержащего мощные взрывчатые вещества. Ведь известно, что содержание октагена в некоторых составах твердых топлив превышает 50 %. В связи с этим крайне необходимо создавать базы данных порохов, твердых ракетных топлив, их компонентов, систематически оценивать состояние развития отрасли спецхимии.

14

Намечается определенное слияние компонентной базы двухосновных топлив со смесевыми путем создания направления высокоэнергетических смесевых модифицированных твердых топлив.

Следует отметить, что до настоящего времени не существует единой классификации и стандартизации в схеме совершенства баллистических характеристик и технологических свойств составов. Показателями оценки совершенства является удельный и объемный импульс. В России оценка ведется при отношении давления 40/1, за рубежом – 70/1. Размерность: кГс/кг, Н·с/кг. Разница в зависимости от отношения давлений составляет примерно 15 кГс/кг. Достигнутый уровень: 260 кГс/кг (40/1), 275 кГс/кг (70/1).

С учетом уровня плотности современных пироксилиновых составов твердых топлив 1,9–1,92 г/см3 объемный импульс будет составлять: ~ 500 кГскг смг3 (40/1), ~ 510 кГскг смг3 (70/1).

Дальнейшее повышение энергетики будет связано с разработкой новых высокоплотных и энергоемких компонентов, но на этом этапе главную роль будут играть технико-экономические показатели и значительного скачка ожидать не следует.

Баллистические характеристики определяют основное место ракетного двигателя на твердом топливе. Их показателями явля-

ются уровень скорости горения, возможности ее регулирования без значительного ухудшения совершенства, показатель давления в законе скорости горения, температурный коэффициент скорости горения, состояние и размер конденсированной фазы, кислородный баланс твердого топлива.

При оценке скорости горения следует строго придерживаться уровня давления, при котором осуществляется испытание. В России оценка проводится при давлениях 40 и 100 кГс/см2 (4,0 и 100 МПа), за рубежом – при 70 кГс/см2 (7,0 МПа). Это было связано с тем, что 7,0 МПа соответствует 1000 lbf/in2 в единицах анг- ло-американской системы.

Уровень реализованных скоростей горения – от 1–2

до 100 мм/с (10 МПа).

15

Показатель в законе скорости горения – от 0 до 1,0. Температурный коэффициент скорости – от 0,12 до 0,25 %/°С. Конечно, совершенство твердого топлива является неотъем-

лемой частью совершенства ракетного двигателя на твердом топливе, и здесь глубокого анализа требуют потери единичного импульса, связанные с механизмом горения алюминиевого порошка, конструктивным исполнением двигателя. Все это должно оставаться в центре внимания разработчиков. Научные исследования должны быть направлены на решение следующих задач:

управление показателя в скорости горения вплоть до получения характеристик с «плато»;

управление и уменьшение температурного коэффициента скорости горения;

уменьшение эрозии сопла (не более 1–2 мм/с);

уменьшение размера частиц конденсированной фазы;

газодинамическое облагораживание РДТТ;

создание многорежимных РДТТ торцевого горения (изменение скорости горения в процессе формования заряда);

создание комбинированных ракетных двигателей (твердотопливных и прямоточных) с целью разных увеличений кислородного баланса и полной реализации энергии твердого топлива.

Кроме того, артиллерийские заряды многофункциональны, основой их являются сила пороха, величина которой теоретически предсказана на уровне 140 Тс. По информации зарубежных источников в США уже достигнут уровень силы пороха 125 Тс. Проблемы закона скорости горения, температурного коэффициента скорости горения, эрозии ствола остались такими же, как и для смесевых топлив. Однако в артиллерии уже используют малоуязвимые пороха – высокоэнергетические смесевые термопластичные топлива.

Цель данного учебного пособия – обобщить накопленный опыт в области исследований технологии порохов и твердых ракетных топлив.

16

Глава 1 СМЕСЕВЫЕ ТВЕРДЫЕ РАКЕТНЫЕ ТОПЛИВА

Смесевые топлива изготавливаются на основе полимерной матрицы, наполненной твердым порошкообразным окислителем и, возможно, металлическим порошком, который играет роль второго горючего компонента.

В смесевых топливах окисляющие и восстанавливающие атомы не находятся в одной и той же молекуле, как в случае двухосновных топлив, где создается микроскопически гомогенная фаза, и здесь мы имеем дело с композиционной структурой. Определенные свойства, такие как скорость горения, реология, механическое поведение, тесно связаны с характером композиционного состава.

Первые смесевые топлива использовали термопластичные связующие, такие как асфальт, поливинилхлорид и полиизобутилен. При их применении требовалось размягчение или плавление за счет повышения температуры. В 1950-е гг. появились первые жидкие связующие, позволившие создавать поперечно сшитые или термореактивные структуры. Поскольку эти связующие обеспечивали высокие степени наполнения окисляющих и горючих компонентов, то это привело к разработке смесевых топлив для больших прочно скрепленных зарядов (несколько десятков тонн и даже несколько сотен тонн топлива), которые невозможно было изготовить из других видов топлив. Этот период разработки может быть разделен на два важных этапа:

1.C 1950 до 1965 г., когда смесевые топлива изготавливались на полисульфидных связующих («тиоколах») и на полиуретанах на основе простых полиэфиров.

2.C 1965 г. появились новые связующие на основе полибутадиена с функциональными группами: сополимеры (акрилонитрилак-

риловая кислота – бутадиен, акриловая кислота – бутадиен) и гомополимеры с функциональными концевыми группами, называемые телехелатами. Эти новые полимеры привели к более повы-

17

шенному совершенству эластомерных связующих, так как они обеспечили более высокое содержание наполнителей и более широкие режимы эксплуатации, особенно при низких температурах. Несомненно, наиболее значительным событием в истории смесевых топлив стало появление высокосовершенных связующих, а не новых окислителей. Хотя перхлорат аммония не применялся сразу, вначале были использованы перхлорат калия и нитрат аммония, однако он быстро приобрел первостепенноезначение в выборе окислителя.

1.1. Состав смесевых твердых ракетных топлив

Подобно всем твердым топливам смесевые твердые ракетные топлива должны производить горячие газы, которые создают тягу за счет расширения в сопле и включают пару окислитель–горючее, обеспечивающую протекание реакции, которая высвобождает достаточную энергию для поддержания горения заряда.

Окислители и горючие вводятся в виде порошков и затем смешиваются со связующим, чтобы обеспечить когезию и гомогенность. Это связующее должно обладать весьма специфичными свойствами.

1. Связующее должно быть жидким в течение предварительной фазы приготовления однородной смеси с окислителем и горючим, несмотря на то, что его элементы должны иметь достаточно низкие летучие характеристики, чтобы выдержать высокий вакуум, используемый при смешении топливной массы и заливки

втребуемую форму.

2.Связующее должно быть совместимо химически с окислителем, что означает, что их смесь не будет приводить даже к не-

большому увеличению температуры, которое может привести к экзотермической реакции, способной вызвать нежелательное самовоспламенение топлива.

3. Связующее должно обладать способностью обеспечить высокую степень заполнения твердых компонентов (вплоть до 80 % по объему). Операция смешения должна быть легко осуществимой, и полученная топливная масса должна легко сливаться в спе-

18

циально подготовленную форму или в корпус ракетного двигателя, собранного с формующей оснасткой, достаточно сложной конфигурации и узкими сечениями.

После того, как топливная масса будет подана в форму, поперечное сшивание должно гарантировать перевод системы в твердое состояние в процессе химической реакции, подчиняющейся следующим критериям:

1)она должна быть реакцией полиприсоединения (аддитивная полимеризация). Любая реакция отщепления, приводящая к получению более или менее летучих продуктов, будет приводить к образованию трещин или «пузырей» в поперечно сшитой полимерной массе. Кроме того, смешение топливной массы должно выполняться под вакуумом, чтобы исключить наличие газообразных продуктов, присутствующих в растворенном виде в связующем. Уменьшение растворимости газов в процессе поперечного сшивания должно привести к трещинам в топливе при отверждении;

2)эта реакция должна иметь, с одной стороны, достаточно медленную кинетику отверждения, чтобы обеспечить выполнение всех операций по заливке. Наиболее применимое время реакции обычно составляет несколько часов, также известно под названием «жизнеспособность». С другой стороны, реакция должна проходить достаточно быстро, так как продолжительные времена поперечного сшивания или отверждения нежелательны.

Температура отверждения не может быть слишком высокой, чтобы предупредить нежелательные механические нагрузки в прочно скрепленных зарядах. Она должна быть очень тепловыделяющей или не очень экзотермичной, чтобы избежать нагрева внутри заряда, который является плохим проводником тепла. Это увеличение температуры может привести к условиям механического нагружения, возможно приводящих к образованию трещин и самовоспламенению топлива. Наконец, сразу после отверждения связующее должно придать топливу необходимые механические свойства.

Прочно скрепленные заряды используются в большинстве смесевых топлив, т.е. топливо образует одно целое со структурой за счет

19

использования связующего материала – лайнера. В течение срока службы топливо подвергается основательным тепловым напряжениям, приводящим к появлению значительных деформаций, потому что коэффициент теплового расширения смесевых топлив приблизительно в 10 раз больше, чем у металлов и композитных материалов, используемых для изготовления корпусов. При работе двигателя топливо, помимо этого, подвергается целому ряду основных напряжений и деформаций, обусловленных деформацией корпуса под давлением. Отвержденное топливо должно выдержать эти деформации без разрушения, должно иметь упругие свойства, точнее сказать, вязкоупругие. Эти свойства могут обеспечиваться в топливе, в основном, связующим, которое, принимая во внимание высокую степень наполнения твердых наполнителей, должно быть отличным эластомером. Обычно требуется от топлива деформации 50 %, это означает, что деформации связующего должны быть в 10 разбольше.

На рис. 1.1 прочность при растяжении связующего сравнивается с прочностью при растяжении топлива со степенью наполнения 88 %. На рисунке видно, как степень наполнения влияет на прочность при растяжении (увеличенную в 5 раз) и на деформацию при разрушении (уменьшенную в 8 раз) для топлива на основе полибутадиена – ПХА и алюминия.

Рис. 1.1. Кривые напряжение – деформация: 1 – 88 % твердой фазы; 2 – чистое связующее

20