Ракетные твердые топлива. Ракетные двигатели на твердом топливе

ность, связанная с довольно сильными эффектами, требует, чтобы производство, обращение и контроль качества были тщательно оценены. В табл. 2.1 приведен перечень определенного числа характеристик чувствительности типовых топлив на основе полибу- тадиена–ПХА–Al и топлив с ферроценовыми производными. Тесты по чувствительности были выполнены в соответствии со стандартами SNPE.

Таблица 2 . 1

Характеристики чувствительности алюминизированных полибутадиеновых СРТТ (буталанов) с ферроценовым производным

1Аl – температура самовоспламенения при нагреве 5 °С/мин. 2Удар – 30 кг падающий груз, высота отсутствия реакции.

3CGT – показатель склонности к детонации, число карточек (франц.). 4CDD – критический диаметр детонации.

5V – скорость горения при атмосферном давлении.

Реакционная способность смеси ПХА с ферроценовыми производными определяет пиротехническое поведение топлив. Фактически смеси чистых продуктов являются чувствительными к механическим воздействиям с уровнем чувствительности, идентичным уровню для гранулированных взрывчатых веществ или пиротехни-

81

ческих воспламенительных составов. Эти характеристики, представленные в табл. 2.2, определяют поведение конечного продукта и требуют соблюдения предосторожностей при производстве.

Таблица 2 . 2

Чувствительность смеси ПХА и ферроценового производного по сравнению с взрывчатыми веществами

*MIRA (МИПА) – пиротехнический воспламенительный состав.

Ферроценовое производное ускоряет разложение ПХА. Анализ показал уменьшение порядка 150 °С в пике экзотермического разложения перхлората аммония. Следовательно, чем выше содержание ферроценового производного, чем выше содержание перхлората аммония, чем меньше размер частиц ПХА, тем выше будет реакционная способность.

2.5. Вид разложения смесевых твердых ракетных топлив

Детонация. Критический диаметр детонации СРТТ намного меньше, в некоторых случаях даже меньше 60 мм, выделяя эти топлива среди всех других типов смесевых топлив, несмотря на то, что их отклик измеряется менее чем одной карточкой в тесте с карточным зазором.

Горение. Тепловые эффекты СРТТ представляют потенциальную угрозу в течение производственных операций. Это обуслов-

82

лено тем фактом, что горение распространяется очень быстро по поверхности образца вследствие случайного воспламенения.

Скорость регрессии, измеренная на стандартном образце при атмосферном давлении, составляет более 3 мм/с и увеличивается с повышением содержания ферроценового катализатора. Опыт, выполненный на небольшом заряде со звездообразным каналом, показывает, что пламя длиной около 1 м появляется через несколько десятых секунды. Эта способность к сильному воспламенению должна быть принята во внимание при определении защитных зон для персонала при производстве, поэтому необходимо дистанционное управление процессом.

2.6. Чувствительность к механическому воздействию

Удар. Испытание методом сброса молотка весом 30 кг с высоты 4 м не приводит к детонации и эффекты едва ли более сильные, чем эффекты, получаемые для обычных составов. Высота, при которой не проявляется реакция разложения, однако намного ниже, чем для обычных топлив, которые не проявляют реакцию при высоте падения ниже 2 м: данные для быстрогорящих топлив колебались в диапазоне от 0,50 до 1,75 м.

Рис. 2.5. Чувствительность к трению

83

Трение. СРТТ чувствительны к трению в условиях, создаваемых с помощью опытного устройства Юлиуса Петерса (лезвия толщиной 0,4 мм). Наблюдались сильные реакции, и чем выше было содержание ферроценового производного, тем более чувствительными к трению были составы (рис. 2.5). В то время как обычные топлива имеют значения чувствительности к трению более чем 70 Н, быстрогорящие топлива имеют чувствительность от 50 до 70 Н, даже более низкие значения могут быть получены для составов, скорость горения которых при 7 МПа более 50 мм/с.

2.7. Чувствительность к тепловому воздействию

Температура воспламенения. Присутствие ферроценового катализатора снижает температуру самовоспламенения примерно до 200 °С и вызывет явление сильного разложения в образцах, что не наблюдается у обычных топлив, температура воспламенения которых близка к 300 °С.

Самовоспламенение. Термостойкость составов, катализируемых ферроценовым производным, ниже, чем у обычных топлив, и это проявляется в большей степени, когда размер частиц ПХА уменьшается, а количество ферроценового катализатора увеличивается. Прогрев, выполненный на образцах диаметром 50 мм и высотой 50 мм, показал уменьшение на 50 °С критической температуры, но которая остается выше 125 °С.

2.8. Чувствительность к статическому электричеству

Рассматриваемые смесевые топлива (рис. 2.6) чувствительны к электрическим емкостным разрядам только тогда, когда содержание алюминия выше некоторого определенного количества (Тест SNPE № 37). Помимо критически высокого содержания алюминия играет роль и качество алюминия (форма и размер частиц) при этом виде воздействия. Механические характеристики и температура являются также важными факторами.

84

Производственные меры безопасности. Тепловые эффекты признаны угрозой для этих составов при полимеризации. Крайне необходимо принять защитные меры при смешении ферроценового производного с перхлоратом аммония, так как реакционная способность этих компонентов слишком высока.

Ферроценовые производные, например, могут содержать летучие компоненты (чистый ферроцен), который может возгоняться и конденсироваться на холодных частях смесителя, что может привести к образованию смесей с ПХА (пылью), которые очень чувствительны к механическим воздействиям. Эти производственные операции выполняются в промышленности с соблюдением условий строгой безопасности. Чувствительность различных семейств смесевых топлив может быть представлена зависимостью температуры самовоспламенения от чувствительности к трению (см. рис. 2.6).

Рис. 2.6. Чувствительность семейств топлив к трению

Детальное представление проблем, связанных с чувствительностью к статическому электричеству. В табл. 2.3 приведе-

ны удельные сопротивления при 20 °С различных связующих смесевых топлив. Видно, что историческая разработка этих связующих сопровождалась увеличением их изоляционной природы. Поэтому логично, что в течение производственного процесса, обяза-

85

тельно включающего в себя обращение, трение и движение изоляционных и проводниковых материалов, много случаев появления электростатического разряда, которые могут привести к механическому разрушению материала.

Таблица 2 . 3

Объемное удельное сопротивление при 20 °С основных связующих смесевых топлив и некоторых материалов

Разработка этих топлив была связана с разработкой изоляции и материала корпусов. Металлические корпуса, например, были заменены корпусами из композиционных материалов с высокими изолирующими свойствами, которые только усугубили проблемы: фарадеевский корпусной эффект исчез, и топливо стало чувствительным к внешним электрическим полям.

Традиционные тесты для определения чувствительности к электростатическому разряду обычно создаются на основе тестов, используемых для пиротехнических смесей. Согласно этим тестам смесевые топлива определяются как нечувствительные, но в то же самое время при производстве топлив имели место случайные воспламенений. Впоследствии было установлено, что происхождение этих воспламенении было связано со статическим электричеством. Исследователи SNPE идентифицировали это явление, создали модель, воспроизводящие инцеденты, наблюдае-

86

мые при производстве, рекомендовали практические меры для минимизации этих явлений и, наконец, частично внесли ясность в рассматриваемые механизмы.

Механизм реакции для топлив, идентифицированных как чувствительные к емкостным разрядам, может быть разделен на две основные фазы: 1-я фаза – появление растрескивания, связанного с критическим потенциалом; 2-я фаза – появление воспламенения, связанного с определенной критической энергией.

В результате наблюдения установлено, что реакция начинается внутри топлива. Существование критического потенциала показывает, что растрескивание вызывается одним или несколькими электрическими явлениями. Среди этих электрических явлений разряды между алюминиевыми частицами наиболее вероятны. Только алюминизированные составы являются чувствительными. Объемное удельное сопротивление чистого алюминиевого порошка для данного критического потенциала изменяется от 107 до 103 Ом·м. Это соответствует пробою для определенного числа частиц со слоем окиси алюминия, который покрывает чистый алюминий.

Факторный анализ активных ингредиентов топлива, главным образом, обнаружил влияние:

соотношения, размера и формы частиц алюминия;

размера частиц перхлората аммония;

удельного сопротивления связующего.

Температура должна быть также принята во внимание. Некоторые топлива, которые нечувствительны, могут стать чувствительными при понижении температуры. При постоянном содержании алюминия уменьшение диаметра частиц алюминия, т.е. увеличение их числа, приводит к составам, которые более чувствительны к емкостным разрядам. Была предложена модель, основанная на теории «перколяции» (фильтрации). Коэффициент «перколяции» был идентифицирован следующим образом:

P Nc / Ni ,

L / VL

87

где Р > 1010 Ом·м для чувствительных топлив; L удельная элек-

тропроводность связующего; VL – единичный объем связующего; Nc – число электропроводящих частиц (алюминий); Ni – число частиц с изоляционными свойствами (перхлорат аммония, октоген).

Следует отметить, что влияние размера частиц перхлората аммония противоположно влиянию частиц алюминия. И наконец, измерения объемного удельного сопротивления связующих показали, что полиуретановое связующее на основе форполимера из простого полиэфира является веществом с наименьшим сопротивлением. Оба полибутадиеновых связующих, с другой стороны, обладают намного большим сопротивлением (связующее на основе СТРВ имеет при 20 °С удельное сопротивление 7·109 Ом·м, а связующее на основе НТРВ – 2·1012 Ом·м).

Эта классификация, основанная на удельных сопротивлениях, также верна для других топлив. Например, полиуретаны не являются чувствительными при 20 °С, а наиболее чувствительными топливами – это топлива на основе полибутадиенового гидроксилсодержащего каучука.

88

Глава 3 ДВУХОСНОВНЫЕ ТВЕРДЫЕ РАКЕТНЫЕ ТОПЛИВА

Топлива, у которых связующее состоит из энергетического полимера, пластифицированного нитроэфиром, в частности, нитроцеллюлозы, пластифицированной нитроглицерином, обычно называют двухосновными топливами. Окисляющие и восстанавливающие элементы, которые связаны с выделением энергии при горении, сочетаются в одной и той же молекуле. Фактически нитроцеллюлоза и нитроглицерин – источники углерода, водорода и кислорода, необходимых для химической реакции. Эти топлива более известные гомогенные топлива, чем смесевые твердые топлива. И в зависимости от того, является ли производственный процесс экструзией или заливкой, они также известны во Франции как SD (экструдируемые двухосновные топлива), как EDB (топлива без растворителя) или как «Эпиктеты» (Epictetes), CDB (литьевые двухосновные топлива).

Двухосновные твердые ракетные топлива являются одним из старейших семейств топлив. Их разработка связана с развитием ракетного движения. В конце Первой мировой войны орудийные и ружейные пороха представляли собой коллоидные пороха на нитроцеллюлозной основе. Ввод нитроглицерина позволил увеличить уровень энергии, и хотя одновременное увеличение температуры горения ограничило их применение в ружейных порохах, они оказались весьма эффективными в качестве твердых ракетных топлив. Применение таких ракетных двигателей требует регулирования давления при горении, времени горения в широком температурном диапазоне, что достигается введением специальных добавок в топливо. За прошедшие 40 лет составы топлив постоянно разрабатывались. Число добавок увеличивалось, в некоторых составах их содержание достигало 5–10 %, а количество более 10. Эти разработки способствовали значительному увеличению качества, совершенства и надежности двигателей с зарядами из двухосновных

89

топлив. Сегодня их разработка и применение связаны с экономичностью их производства и с некоторыми, присущими им характеристиками, такими как:

хорошие механические свойства, в частности, прочность, которая важна для вкладных зарядов и для получения различных геометрических форм с точными размерами;

стойкость к старению, в частности, в условиях повышенной важности;

рабочие характеристики, удовлетворяющие специальным требованиям, таким как: небольшое количество или отсутствие твердых частиц в газовой струе, что свидетельствует о малом количестве и отсутствии первичного дыма; малое количество или отсутствие химических элементов, которые способны рекомбинировать с атмосферой для создания вторичного дыма; скорости горения, которые достаточно хорошо регулируются и показывают малую чувствительность в диапазоне рабочих температур.

3.1. Составы и сырьевые материалы

Компоненты двухосновных твердых ракетных топлив могут быть классифицированы на пять больших групп продуктов, основанных на их функциях:

1)энергетические основные компоненты;

2)технологические добавки;

3)добавки для стабилизации химической стойкости;

4)добавки для регулирования скорости горения;

5)добавки специального назначения.

Энергетическая основа. Энергетическая основа двухосновных твердых ракетных топлив состоит, главным образом, из нитроцеллюлозы (40–70 %) и нитроглицерина (15–41 %).

Иногда используются другие нитрованные продукты, например, нитрогуанидин. Производство двухосновных топлив включает в себя смешение и гомогенизацию этих двух продуктов с использованием процесса желатинизации, который основан на механизме взаимодействия между молекулами нитроглицерина, введенного в сеточную

90