Ракетные твердые топлива. Ракетные двигатели на твердом топливе

2) самая высокая, насколько возможно, энтальпия образования. На рис. 1.9 показаны энтальпии образования основных видов окислителей, которые включают в себя группы ClO3–, ClO4–, NO3– в твердых продуктах.

Рис. 1.9. Энтальпия образования основных окислителей как функция молекулярной массы

Преимущества применения NF2 и NO2 обнаруживаются хорошим расположением на графике CH3O2, N2F4. К этим преимуществам относятся:

самая высокая возможная плотность;

достаточная термическая стабильность (температуры разложения должны быть выше 100 °С, чтобы обеспечить безопасность технологических процессов и топлива);

хорошая химическая совместимость с другими ингредиентами, содержащимися в топливе, чтобы избежать любые нежелательные экзотермические реакции;

41

наличие фракций с различными размерами частиц, чтобы получить высокие степени наполнения итребуемые скорости горения.

Практически число окислителей, используемых в смесевых топливах невелико: перхлорат аммония (применяется в большинстве составов), нитрат аммония, октоген и нитрогуанидин. Характеристики этих продуктов приведены в табл. 1.5.

Перхлорат аммония NH4ClO4. Анализируя табл. 1.6, легко понять, почему применение этого соединения является преобладающим: перхлорат аммония является плотным, термически стабильным (более, чем хлораты), а продукты его разложения представляют собой газы с большой долей кислорода.

42

SNPE использует, например, 6 промышленных фракций, что позволяет иметь скорости горения от 2–5 до 70 мм/с при 7 МПа с модификаторами скорости горения. Средний диаметр (мкм) этих фракций следующий: B – 400, b – 200, D – 100, F – 10, M3 – 3, M1 – 1.

Первые две фракции получаются прямо при кристаллизации, другие – при измельчении.

Перхлорат калия KClO4. Очень плотный и обогащенный кислородом этот окислитель имеет недостаток, что топлива на его основе имеют ограниченные энергетические характеристики. Также его применение приводит к высокому значению показателя в законе скорости горения.

Нитрат аммония NH4NO3. Этот окислитель с очень низким значением Нfо и с малым количеством свободного кислорода приводит к получению удельных импульсов, которые намного ниже, чем у топлив на основе перхлората аммония. Его применение обычно ограничивается топливами для газогенераторов, где требуются низкие температуры горения (ниже 2000 К) и небольшие скорости горения (1–2 мм/с). Наконец, нитрат аммония показывает изменение аллотропной формы при +32 °С, сопровождаемое объемным изменением, которое приводит к значительному изменению свойств топлив, включая его разрушение. Так называемые стабилизированные разновидности нитрата аммония были получены при совместной кристаллизации с различными солями и окислителями (такими как NiO). Недостатком является то, что в топливо вводится конденсирующее вещество. Однако такие стабилизированные системы используются довольно широко.

Октоген (CH2N2O2)4. Октоген не является окислителем, но он является единственным продуктом с положительной энтальпией образования (см. табл. 1.6). В результате этого он используется в качестве дополнительного твердого вещества в топливах, уже имеющих достаточно высокий уровень содержания кислорода.

Нитрогуанидин. Нитрогуанидин также не является окислителем, но относительно высокое значение Нfо делает его удобным в качестве дополнительного заряда, подобно октогену, хотя

43

и в меньшей степени (из-за его низкой плотности и дефицита кислорода), а также особенно, в качестве регулятора скорости горения для топлив на основе перхлората аммония.

Горючие. На рис. 1.10 представлена классификация горючих по величине энергии, необходимой для образования фторидов и оксидов. Как можно видеть, энергия для образования фторидов и оксидов, несколько более высокая, чем для хлоридов. Энергетический интерес горючих уменьшается в следующем порядке Be > Li > B > > Al > H и С. Однако бериллий имеет ограниченное применение, за исключением специальных случаев использования, из-за высокой токсичности продуктов сгорания. Литий имеет низкую плотность. При использовании бора B2O3 не получается. В действительности образуются недокиси (неполные окиси), что обусловлено термодинамическими условиями в камере сгорания. В связи с этим такое горючее теряет свое теоретическое энергетическое преимущество, за исключением специальных сред, обогащенных кислородом, например, в камерах сгорания прямоточных двигателей.

Магний является очень интересным горючим, хотя и меньшей плотности (1,7), чем у алюминия (2,7).

Рис. 1.10. Энергия, освобождающаяся (свободная энергия) при образовании продуктов сгорания

Алюминий является универсальным горючим для смесевых топлив. Он изготавливается в виде сферических порошков с не-

44

большим диаметром частиц (от нескольких микрон до нескольких десятков микрон) и хорошо подходит для обеспечения высоких степеней наполнения.

Тонкий слой окиси алюминия, которая не разрушается в зарядах за счет влияния влаги, делает его легким для обращения. Углерод и водород, которые всегда присутствуют в топливе, являются главными составляющими связующего и играют важную роль в экзотермичности горения и имеют значительное преимущество по сравнению с алюминием при получении газообразных продуктов сгорания.

Другие горючие, такие как тяжелые металлы, проверялись, а именно Ti, Zr и Pb. Однако ни один из них не используется, за исключением циркония, стоимость которого остается очень высокой. Он имеет очень высокую плотность (6,5) и его хорошая горючесть может вызвать интерес в его применении, где количество и величина пространства для размещения твердотопливного заряда ограничена (например, в интегральных ускорителях).

1.3. Производственные методы и контроль качества

Полный производственный цикл смесевых топлив может быть представлен следующей схемой:

Подготовка форм или корпусов Операция смешения

Формование

↓

Отверждение

↓

Концевые операции

↓

Контроль

45

Любая из этих операций является важной и обусловливает качество твердотопливных зарядов (микроскопическая и макроскопическая гомогенность, влияние на рабочие характеристики).

1.3.1. Операции смешения

Операция смешения состоит в перемешивании твердой фазы (главным образом, окислителя и горючего) и жидких компонентов (ингредиенты связующего). Она предназначается для получения гомогенной смеси, которая может быть отформована с хорошим уровнем воспроизводимости характеристик топлива. Из-за высокой инвестиционной стоимости отделения смешения все операции по смешению, которые не являются взрывоопасными, могут быть выполнены вне основного смесительного отделения с использованием соответствующих смесителей. Основные предварительные операции смешения представлены на рис. 1.11.

Рис. 1.11. Операции предварительного смешения

1.3.2. Приготовление полимерного связующего (предварительная смесь)

Предварительное смешение выполняется в контейнере, оборудованном мешалкой. После взвешивания все компоненты загружаются в контейнер в следующем порядке: полимер, пластификатор и связующий агент. Смесь нагревается до 60 °С. Алюми-

46

ниевый порошок подается в контейнер со связующим при непрерывном перемешивании, чтобы гарантировать хорошее перемешивание (это характерно для процесса в SNPE, другие компании могут загружать алюминий в топливную смесь).

Перемешивание является важнейшей операцией в производстве топлива. Операция, с одной стороны, должна быть достаточно продолжительной, чтобы получить гомогенную топливную массу, подходящую для заливки. Однако она является довольно дорогостоящей операцией из-за больших затрат энергии и трудоемкости, поэтому операция должна быть короткой, насколько возможно, без ухудшения качества. В прошлом первые смесители, используемые для производства топлив, были смесителями горизонтального типа (horizontal mixers). Корпус был сделан из нержавеющей стали, чтобы избежать коррозии, вызываемой перхлоратом аммония. Две вращающиеся Z-образные мешалки перемешивают и разрезают смесь. Зазор между стенкой корпуса и краями мешалок очень мал, всего несколько миллиметров, чтобы свести к минимуму число «мертвых» зон, которых мешалки не могут достичь, а интенсивное сдвиговое действие было предназначено для гарантии достижения хорошего уровня гомогенности в смеси.

В некоторых фазах смешения требуется, чтобы смесь была нагрета, в других – охлаждена. Это достигается за счет использования смесителя с рубашкой, в которой циркулирующая жидкость может быть нагретой или охлажденной. Влажность является плохим показателем для всех твердотопливных составов. Все отделения, где находятся смесители, должны быть снабжены кондиционерами, а все смесители должны плотно закрываться крышками. Эта крышка оснащается устройством для вакуумирования, используемым для создания остаточного давления около 10 мм рт.ст.

Летучие компоненты, вода и воздух, закапсулированные в смеси, легко удаляются в ходе операции смешения. В течение последних 15 лет горизонтальные смесители были постепенно заменены на вертикальные смесители с двумя или тремя мешалками с планетарным вращением. Процесс выполнения операций

47

смешения на этих вертикальных смесителях остается в основном неизменным, т.е. выполняется как и в случае горизонтальных смесителей; но гибкость и производительность процесса сильно увеличилась, что обусловлено использованием сменных чаш. Время, требуемое для загрузки и выгрузки смесителей, было сокращено до минимума. Вертикальное положение мешалок полностью исключает прямой контакт подшипников и уплотнений с топливной массой, тем самым предупреждая загрязнения редуктора: облегчается чистка смесителя и обеспечивается высокий уровень безопасности.

Последовательность операций смешения следующая: связующее вначале освобождается от газов, после чего вводится окислитель. Это может быть сделано вручную, повторяя операции несколько раз (в случае небольшого смесителя), или дистанционно, используя бункер, оснащенный вибрирующим лотком или массопроводом, или архимедовым шнеком, в сухой атмосфере.

Это очень важная операция, потому что порядок введения различных фракций окислителя, а также регулирование времени введения определяют вязкость топливной массы. Различные параметры процесса и состав (смачивающие агенты, связывающие агенты, распределение частиц по размерам твердых окислителей, тип алюминия и размер его частиц) оптимизируются, чтобы получить топливную массу, имеющую наименьшую вязкость, насколько это возможно. Необходима оптимальная загрузка смесителя, это может сократить время перемешивания.

На рис. 1.12 приведен пример изменения момента привода смесителя для двух составов топлива, содержащих 90 % твердых наполнителей, но отличающихся используемым связующим агентом.

Введение окислителя является наиболее критической фазой, исходя из безопасности. Топливо в этом случае не является еще гомогенным, а перхлорат аммония в контакте с горючим является чувствительным. Если эта не перемешанная и пористая смесь воспламеняется, то может иметь место явление перехода горения в детонацию.

48

1)заполнение структур и формование центрального канала зарядов;

2)полимеризация или поперечное сшивание топлива. Этот процесс отверждения осуществляется в темперационной камере (печи) или прямо в заливочной шахте, если заряд очень велик;

3)распрессовка, мехобработка центрального канала и торцев, еслинеобходима, иконцевыеоперациидляподготовкизарядаксдаче.

Обычно процесс осуществляется следующим образом. Вначале форма, обычно корпус ракетного двигателя с внутренней поверхностью, полностью покрытой лайнером, заполняется топливной массой, поступающей прямо из смесителя. Это очень деликатная операция. Имеется широкий диапазон топлив, которые могут проявлять различные виды поведения: некоторые топлива текут хорошо, некоторые топлива прилипают к стенкам, некоторые из них являются очень вязкими. Существует также большое разнообразие изготавливаемых изделий – от небольших твердотопливных зарядов для тактических ракет до зарядов для космических или баллистических ракет. Они должны быть качественно отформованы и не должны иметь каких-либо заливочных дефектов. Наиболее широко используется способ, называемый «вакуумным литьем». Альтернативным способом является инжекция под давлением, называемая литьем в пресс-инструмент. Оба этих способа описаны ниже. При производстве твердотопливных зарядов, которые имеют

центральный канал, требуемая форма обеспечивается заливкой с формующей иглой, либо в виде моноблока, либо в виде нескольких сегментов. Игла устанавливается внутри корпуса до отверждения топлива. Эта операция является простой, если игла может быть легко установлена на место и извлечена со стороны одного из торцев твердотопливного заряда. Кроме того, если пространство между стенками сборки и иглой достаточно большая, чтобы позволить топливной массе хорошо течь и для ускорения заливки игла устанавливается до начала операции заливки. Когда этот вариант не реализуется, то формование центрального канала выполняется после завершения заливки в корпус определенной порции

50