Раздел 1. СТАБИЛЬНОСТЬ ПОРОХОВ, ТВЕРДЫХ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ И ЗАРЯДОВ ИЗ НИХ

1. Терминология в области исследования стабильности порохов, твердых ракетных топлив и зарядов из них

Работа по уточнению единой терминологии в области исследования стабильности порохов, твердых ракетных топлив (ТРТ) и зарядов из них до настоящего времени не завершена, поэтому в данном учебном пособии используются термины и определения, которые, по нашему мнению, наи­ более полно и точно отражают сущность понятий и процессов и потому получили широкое распространение.

Старение - совокупность физических и химических процессов, про­ исходящих в порохе или ТРТ под действием внешних и внутренних факто­ ров старения и приводящих к необратимым изменениям свойств.

Характерный показатель старения - показатель, характеризующий свойство пороха или ТРТ, по изменению которого контролируют старение. В качестве показателя старения чаще всего используют баллистические и физико-механические характеристики пороха.

Стойкость материала к старению - свойство пороха или ТРТ со­ хранять значение характерного показателя (или показателей) старения в пределах, установленных в нормативно-технической документации, при старении в заданных условиях.

Помимо этих терминов, введенных в действие ГОСТ 9.710—84 для полимерных материалов, в литературе часто можно встретить термин ста­ бильность пороха, под которой также понимают способность пороха со­ хранять определенные свойства при неблагоприятном внешнем воздейст­ вии или в течение длительного времени. Будем считать «стойкость» и «стабильность» синонимами.

Стойкость (стабильность) порохов и ТРТ характеризуют временем сохранения при старении значения характерного показателя старения в пределах, установленных в нормативно-технической документации. Это время названо ресурсом (или запасом) стойкости {стабильности).

Прогноз старения - научно обоснованное заключение о предпола­ гаемом состоянии пороха (ТРТ) после заданной продолжительности старе­ ния в заданных условиях.

Прогнозирование изменения показателя свойства пороха (ТРТ) - оп­ ределение изменения показателя свойства пороха (ТРТ) в заданных усло­ виях после заданной продолжительности старения на основании предвари­ тельно проведенных испытаний.

Если изучение стабильности порохов и ТРТ как материалов произ­ водится в лабораторных условиях, то исследование стабильности заряда как конструкции требует осуществления специальных программ испыта­ ний натурных или модельных зарядов.

Способность любого изделия сохранять работоспособность при различных воздействиях характеризуется наработкой на отказ.

Под работоспособностью, согласно теории надежности, будем понимать состояние изделия, при котором оно способно выполнять за­ данные функции с параметрами, установленными требованиями техни­ ческой документации.

Наработкой на отказ называют продолжительность или объем ра­ боты изделия, измеряемые в годах (сутках, часах), циклах, километрах или других единицах. Наработку, выраженную в единицах времени, называют

временем сохранения работоспособности или сроком служебной пригод­ ности (ССП).

Под сроком служебной пригодности зарядов будем понимать время, в течение которого заряды сохраняют требуемые баллистические качества при полной безопасности в обращении.

В литературе можно встретить также такое понятие, как гарантий­ ный срок хранения - ГСХ. В пороховой промышленности ГСХ часто ото­ ждествляют с ССП, хотя в отличие от технического понятия «ССП» гаран­ тийный срок хранениях* является понятием юридическим. Гарантийный срок - период времени, в течение которого изготовитель изделия гаранти­ руют его соответствие требованиям договора, показателям качества, пас­ портным данным. ГСХ, как правило, меньше ССП.

В работах по прогнозированию ССП предполагается, что срок слу­ жебной пригодности т изделия зависит от температуры в соответствии с уравнением Аррениуса

т = TQ • ехр ^эфф

RT^vn

здесь Е3фф - коэффициент, характеризующий зависимость скорости изме­ нения характерного показателя старения от температуры в процессе старе­ ния, R - универсальная газовая постоянная, Тзкв - эквивалентная темпера­ тура.

Эквивалентная температура - условная температура, при которой константа скорости изменения характерного показателя при старении со­ ответствует своему среднему значению при изменяющихся температурах в течение заданной продолжительности хранения.

Эквивалентную температуру можно представить следующим обра­ зом. Согласно ГОСТ 16350-80 вся территория бывшего СССР разбита на 12 климатических районов: 1 - очень холодный; 2 - холодный; 3 - аркти­ ческий западный; 4 - умеренно холодный; 5 - умеренный; 6 - умеренно влажный; 7 - умеренно теплый; 8 - умеренно теплый влажный; 9 - уме­ ренно теплый с мягкой зимой; 10 - теплый влажный; 11 - жаркий сухой; 12 - очень жаркий сухой. Каждый климатический район характеризуется

Пример вычисления ГэквПо результатам испытаний установлено значение Е = 104,67-103 Дж/моль (25 ккал/моль). Для заданного климатиче­ ского района установлено распределение температуры в течение года ин­

12)

13)

сумма значений А ту ехр(-------) = 3,72-10'15.

RTj

Вычисляют эквивалентную температуру по формуле

•(-0,0236) =297,4 К.

2. Дымные пороха

Историки утверждают, что дымный порох (смесь калиевой селитры, серы и угля в различных соотношениях) появился в Индокитае около 3000 лет назад. Первые сведения о появлении дымного пороха на Руси относят­ ся ко второй половине XIV в. До конца XIX в. на протяжении более пяти столетий дымный порох был по существу единственным взрывчатым ве­ ществом, которое применялось для метательных целей, для снаряжения снарядов и для проведения всевозможных подрывных работ в военном де­ ле и в различных отраслях хозяйства.

Качество русских порохов было высокое, и они не уступали лучшим порохам иностранных государств. Не случайно поэтому датский послан­ ник в Петербурге в начале XVIII в. так писал о русском пороходелии того времени: «Вряд ли найдешь государство, где его (порох) изготовляли бы в таком количестве и где бы он по качеству и силе мог сравниться со здеш­ ним». Вместе с тем следует отметить, что при Петре I требования к поро­ хам были примитивными. Например, в них указывалось: «Порох должен быть добрым, сухим, чистым и сильным».

Если порох не удовлетворял этим требованиям, то его считали «к стрельбе непоносистым и к лежанию непрочным».

Дымный порох характеризуется высокой стабильностью свойств при нормальных условиях эксплуатации, так как компоненты пороха сами имеют высокую химическую стойкость. Дымный порох является малогиг­ роскопичным веществом, что обусловлено свойствами компонентов:

- древесный уголь обладает плохой смачиваемостью (гидрофобное вещество);

- калиевая селитра и сера имеют также малую гигроскопичность. Так, при температуре окружающего воздуха 20 °С и относительной

влажности 80% гигроскопичность дымного пороха составляет 1,22%.

Цвет пороховых зерен может изменяться от сине-черного до серова­ то-черного с металлическим блеском. Интенсивно черный цвет указывает на большое содержание в нем влаги.

Хороший (сухой) порох имеет достаточную механическую проч­ ность, пороховые зерна не разрушаются между пальцами и не пачкают рук.

С увеличением влажности дымного пороха снижается его воспламе­ нительная способность. При содержании влаги более 2% порох трудно воспламеняется, а при увлажнении до 15% вообще теряет способность воспламеняться. Отсюда значение слов «держать порох сухим» - быть го­ товым к защите, обороне.

Таким образом, особых проблем со стабильностью дымных порохов не возникало.

Длительный застой в развитии взрывчатых веществ и порохов в те­ чение многих столетий объяснялся низким уровнем естественных наук то­ го времени и, в частности, химии. В конце XVIII - начале XIX в. в ряде стран Европы зарождается капитализм. В этот период отмечается гигант­ ский скачок в развитии естествознания. Химия вышла из рамок схоластики и стала развиваться на научной основе. Особенно большое значение имело

возникновение новой отрасли химии - органической химии, в результате развития которой появилось новое сырье и различные методы использова­ ния природных материалов. Общий прогресс науки и промышленности вызвал небывалые до этого времени открытия в области физики, химии и, в частности, в области взрывчатых веществ и порохов. Одно за другим синтезировались взрывчатые вещества, превосходящие по силе дымный порох.

В 1832-1838 гг. была открыта нитроцеллюлоза, в 1847 г. в Италии был получен нитроглицерин. Но только примерно через полстолетия оба эти вещества были применены для изготовления бездымного пороха.

3. Бездымные пороха и заряды к ствольным системам

Первенство в изобретении бездымного пироксилинового пороха принадлежит французскому инженеру Вьелю. В 1885 г. после многочис­ ленных экспериментальных исследований он получил и испытал пирокси­ линовый пластинчатый порох, получивший название пороха В. Приготов­ ление пороха В состояло из операций: смешения сухого пироксилина (сме­ си растворимого и нерастворимого) со спиртоэфирным растворителем, уп­ лотнения пластичной массы на вальцах и получения роговидного полотна, резки полотна на пластинки и удаления из пластинок спиртоэфирного рас­ творителя сушкой.

В 1888 г. шведским инженером Альфредом Нобелем был предложен пироксилино-нитроглицериновый порох - твердый раствор коллодионного хлопка (коллоксилина) в нитроглицерине. Количество нитроглицерина в порохе Нобеля составляло 40...60%; позже в состав этого пороха добавля­ лись инертные примеси (например, камфара) для снижения скорости горе­ ния и дифениламин для повышения химической стойкости пороха. Порох

Нобеля под названием «баллистит» был принят на вооружение в Германии и Австрии и под названием «филлит» - в Италии.

Баллистит имел существенные преимущества перед пироксилино­ вым порохом. Он почти негшроскопичен и не увлажняется при хранении; его изготовление продолжается примерно один день, в то время как пирок­ силиновый порох должен был сушиться неделями и даже месяцами.

Другой тип нитроглицеринового пороха под названием «кордит» был предложен в 1889 г. Абелем и Дюаром в Англии. (Название кордит происходит от английского слова «cord» - шнур или струна} При изготов­ лении этого пороха применялся нерастворимый пироксилин, пластифика­ ция которого осуществлялась нитроглицерином и ацетоном в мешателях при обычной температуре; для повышения химической стойкости и сни­ жения скорости горения добавлялся вазелин. Принципиально способ при­ готовления кордита не отличается от способа приготовления пироксилино­ вого пороха.

Яркие страницы в историю пороходелия вписаны Д. И. Менделее­ вым и его сотрудниками в 1892 г. в результате работ по синтезу пирокол­ лодия и разработке на его основе бездымного пороха.

Новые бездымные пороха по сравнению с дымными были в 2-3 раза работоспособнее, горели строго параллельными слоями, почти не давали нагара, позволяли регулировать скорость горения путем изменения состава и формы. Вместе с тем вскоре после изобретения нитроцеллюлозных порохов было замечено, что они способны разлагаться при хранении их даже в обычных условиях, т.е. при нормальной температуре и относительной влажности воздуха. Особенно нестойкими были пороха, изготовленные в начальный период пороходелия.

Значительную долю (85...95%) нитроцеллюлозных порохов состав­ ляют компоненты, обладающие недостаточной термодинамической устой­ чивостью и способностью к самопроизвольному разложению. К таким

компонентам относятся нитраты целлюлозы, нитраты многоатомных спир­ тов и др. Специальными опытами по изучению разложения порохов при различных условиях было установлено, что пороха при своем разложении выделяют ряд кислых продуктов (окислы азота, азотная и азотистая кисло­ ты), способствующих дальнейшему разложению пороха по автокаталитическому типу.

Саморазложение порохов при определенных условиях происходило настолько глубоко и бурно, что заканчивалось иногда катастрофами. По­ скольку разложение пороха - процесс экзотермический, при больших мас­ сах пороха такое разложение может перейти в самовоспламенение и взрыв. Так, например, в 1907 г. на броненосце «Иена», находящемся на ремонте в Тулонском порту, произошел взрыв, в результате которого погибла боль­ шая часть экипажа.

Разложение пороха можно обнаружить по ряду внешних признаков. На поверхности разложившихся пороховых зерен появляются желтовато­ темные ореолы, вздутия, трещины. Разложившийся порох склонен к сли­ панию и имеет пониженную механическую прочность. Он становится хрупким, достаточно легко раздавливается при нажатии пальцами. При ин­ тенсивном разложении пороха над ним ощущается запах окислов азота, а при вскрытии герметичных коробов иногда можно наблюдать выделение бурых паров. Если порох находится в гильзах или картузах, то признаком разложения порохов может служить появление зеленого налета (окиси ме­ ди) на латунных гильзах, а также потемнение цвета картузов. Картузная ткань становится непрочной и легко разрушается.

Пороха в результате химических превращений могут изменять свою структуру, плотность, прочность, энергетические характеристики, скорость горения и другие свойства. Все эти изменения, в конечном счете, сказыва­ ются на баллистических характеристиках зарядов. При стрельбе зарядами из разложившегося пороха могут наблюдаться отказы в действии элемен­

тов выстрелов, недолеты, неправильное действие у цели снарядов, мин, гранат и боевых частей и др. Пороха с признаками разложения, а также заряды, показавшие неудовлетворительные результаты при баллистиче­ ских испытаниях, считают непригодными для боевого применения и дли­ тельного хранения.

В силу этого служебная пригодность зарядов из нитроцеллюлозных порохов определяется глубиной химических превращений. Химическая стойкость отражает способность изучаемого объекта сопротивляться лю­ бому химическому превращению, как в процессе испытания, так и при его хранении. Химическая стойкость определяется природой и содержанием компонентов, качеством исходного сырья, условиями производства и экс­ плуатации.

Химическая стойкость нитроцеллюлозных порохов оценивается с помощью так называемых проб, основанных на определении времени до некоторой заданной степени превращения образцов, выдерживаемых при повышенных температурах. Старейшим методом оценки химической стойкости порохов является лакмусовая проба, предложенная Вьелем для оценки стойкости пироксилиновых порохов (ПП) еще в XIX в. Подробно методы оценки химической стойкости порохов будут рассмотрены в раз­ деле 2, а здесь мы скажем только, что простая проба Вьеля основана на на­ гревании 10 г пороха при температуре 106,5 °С в герметически закрытых цилиндрах с наличием лакмусовой бумажки. Испытание проводят до крас­ ного окрашивания синей лакмусовой бумажки, но не более 7 ч.

По результатам простой лакмусовой пробы оценивают хи­ мическую стойкость пороха в данный момент. В зависимости от по­ лученных результатов пороха делят на химически стойкие, понижен­ ной химической стойкости, химически нестойкие.

Пороха нестойкие подлежат немедленному выделению на от­ дельное хранение и уничтожение установленным порядком.

Кроме химической стойкости к порохам предъявляются требования по физической стабильности.

Физическая стабильность - способность порохов сохранять свои физические, физико-механические, реологические свойства в определен­ ных заданных пределах при различных внешних воздействиях. Пороха не должны увлажняться под действием влаги воздуха, изменять свою перво­ начальную структуру за счет выделения жидких, кристаллических или га­ зообразных продуктов, изменять плотность и т. п.

Пироксилиновые пороха изготавливаются в виде зерен без канала, зерен с одним каналом, зерен с семью каналами, трубок и пластин. Для пи­ роксилиновых порохов толщина горящего свода (наименьшего размера порохового элемента, от которого зависит время горения пороха) находит­ ся в пределах 0,1...6,0 мм. Изготовление элементов тоньше 0,1 мм затруд­ нено по причине большого разброса толщины горящего свода. При толщи­ не горящего свода более 6,0 мм растворитель трудно удалить из пороха. Баллиститные орудийные пороха готовят в виде трубок с толщиной горя­ щего свода 1...5 мм. Минометные баллиститные пороха готовят в виде пластин, лент или колец с толщиной горящего свода 0,1... 1,0 мм.

Благодаря малым размерам пороховых элементов можно считать, что изменения при старении происходят одновременно во всем объеме поро­ хового элемента. Объект, в котором характеристики не зависят от коорди­ нат, называют системой с сосредоточенными параметрами. Кроме того, при исследовании стабильности характеристик порохов и зарядов к ствольным системам считают, что вся совокупность пороховых элементов, представляющая собой заряд, ведет себя как одно зерно и может характе­ ризоваться его свойствами.

Поэтому с появления первых нитроцеллюлозных порохов и до сере­ дины XX в. (появления зарядов РДТТ с большой толщиной горящего сво­ да) определение сроков служебной пригодности хранения производилось

на основании испытаний химической стойкости и физической стабильно­ сти порохов, входящих в заряд. Естественно, если заряд состоит из порохов нескольких марок, то оценку химической стойкости и запаса хими­ ческой стойкости заряда в целом производят по пороху с худшими показателями.

Обобщенным показателем стабильности порохов является со­ храняемость их характеристик в течение заданного срока хранения и

эксплуатации. Под сохраняемостью понимают соответствие харак­

теристики требованиям ТТЗ (нахождение в области допустимых зна­ чений). Обычно оценивают сохраняемость таких характеристик, как

и\ - единичная скорость горения, Q-* - теплота горения, химическая стойкость и содержание катализатора химической стойкости, удар­ ная прочность (применительно к артиллерийским порохам).

Методика оценки сохраняемости предусматривает нахождение

значения температурного коэффициента £ эфф при 4-5 температурах

по. результатам определения скоростей газовыделения манометриче­ ским методом («Вулкан», АУКС).

Задавая эквивалентную температуру для определенного клима­

тического района, из выражения

находят время термостатирования гу.х (ускоренного хранения образ­ цов пороха), эквивалентное сроку служебной пригодности tccn в за­ данном климатическом районе. Термостатирование производят обычно при температурах 60 или 70 °С. После термостатирования определяют вышеназванные характеристики и оценивают их нахож­ дение в поле допустимых значений.

4.Твердые ракетные топлива и заряды РДТТ

В1928 г. в СССР впервые стартовала твердотопливная (или,как то­ гда называли, пороховая) ракета с зарядом из пироксилиново-тротилового пороха, а с 1935 г. широкое распространение получил баллиститный порох Н, по сути дела представляющий собой первое твердое ракетное топливо. Толщина свода твердотопливных зарядов тех времен достигала нескольких десятков миллиметров. В 1946 г. было обнаружено растрескивание шашек из баллиститных твердых ракетных топлив (БТРТ) при повышенных тем­ пературах и влажности. При выяснении причин данного явления простым наблюдением установлено:

-чем больше диаметр шашки при прочих равных условиях, тем она быстрее растрескивается; при равных диаметрах у бесканальных шашек целостность нарушается раньше;

-растрескивание шашки начинается, как правило, во внутренних слоях, затем на поверхности с торцов появляются вздутия;

-время до растрескивания зависит от состава пороха, способа его изготовления, температуры, влажности и габаритов изделия.

Этот факт привел, в конечном счете, к тому, что заряды к ракетным двигателям на твердом топливе (РДТТ) стали рассматривать как системы с распределенными параметрами, где характеристики материала изделия зависят не только от времени, но и от координат. Для таких зарядов были введены новые понятия, например, такие как термостабильность, соответственно были разработаны новые методы испытаний, о которых сказано в разделе 2.

Термостабильность - сопротивляемость зарядов из баллиститных твердых ракетных топлив разрушению вследствие происходящих в них процессов химического разложения. Количественной мерой термоста­ бильности является индукционный период - время до появления внутрен­

них дефектов в зарядах в заданных температурных условиях. Для зарядов из баллиститных топлив термостабильность является одной из важнейших характеристик, определяющей сроки эксплуатации.

Благодаря высокой надежности, простоте эксплуатации и постоян­ ной готовности к действию, в настоящее время более 90% существующих и вновь разрабатываемых ракет оснащаются двигателями твердого топли­ ва. РДТТ широко используются практически во всех классах ракет военно­ го назначения, в космических программах, а также для борьбы с градом, для бурения скважин, зондирования высоких слоев атмосферы и др.

В 60-х годах XX в. в СССР начинается бурное развитие твердотоп­ ливной ракетной техники. Наряду с применением баллиститных твердых ракетных топлив широкое распространение получают смесевые твердые топлива (СТРТ).

По мере исследования стабильности характеристик зарядов РДТТ стали накапливаться факты, свидетельствующие о том, что кроме термо­ стабильности сроки хранения и эксплуатации зарядов определяются внеш­ ними нагрузками (массовыми силами, температурными напряжениями, транспортировочными воздействиями), влиянием влажности, радиации, биологических вредителей и другими факторами. По каждому из этих ви­ дов воздействия должна быть обеспечена устойчивость зарядов в пределах заданных сроков.

Способность РДТТ выполнять заданные функции характеризуются рядом параметров, из них определяющими для двигателей основного назначения является тяга Р, точнее, закон изменения тяги во времени P(t),

о

двигателей вспомогательного назначения в качестве определяющего параметра может рассматриваться секундный весовой расход продуктов сгорания G(t). Поскольку тяга двигателя и секундный расход однозначно

связаны с давлением в камере сгорания, то для всех типов двигателей в качестве определяющего параметра можно рассматривать давление в камере сгорания p(t).

При хранении и эксплуатации РДТТ под влиянием внешних воздействий и в результате внутренних процессов в элементах двигателей наблюдается постепенное изменение определяющего параметра, что в конечном счете приводит к уходу значений определяющего параметра из области допустимых значений, т.е. к потере работоспособности. Очевидно, что ССП зависит от величины допустимого изменения определяющего параметра и от скорости этого изменения, обусловленной интенсивностью внешних воздействий и внутренних процессов. Из рассмотрения аналитической зависимости относительного изменения определяющего

видно, что стабильность определяющих параметров РДТТ зависит от стабильности таких характеристик, как поверхность горения F, плотность топлива р, коэффициент щ и показатель v в законе скорости горения, температура продуктов горения Ти площадь критического сечения сопла

FKpи т.д.

Наиболее частой причиной изменения площади поверхности горения является образование в заряде трещин, а также отслоение бронепокрытий и защитно-крепящих слоев. Потеря сплошности заряда может произойти как в процессе хранения, так и при работе двигателя.

Среди процессов, которые приводят к потере сплошности заряда, в первую очередь отметим следующие.

Газовыделение, сопровождающее химические реакции в компонен­ тах топлива, при определенных условиях (скорость газообразования пре­ вышает скорость диффузии газа к свободным поверхностям заряда) может

привести к появлению трещин или к отслоению покрытий. Тепловое ста­ рение компонентов топлива в результате протекающих при хранении и эксплуатации процессов структурирования и деструкции приводит к изме­ нению механических характеристик топлива. В сочетании с действующи­ ми на заряд при хранении или боевом применении нагрузками это может приводить к разрушению заряда.

Изменение механических и баллистических характеристик топлива может произойти также в результате миграции компонентов и других ве­ ществ в элементах двигателя. В заряде могут протекать следующие массо­ обменные процессы, приводящие к потере работоспособности зарядов РДТТ при их хранении и эксплуатации:

-сорбция (десорбция) элементами двигателя паров влаги и агрес­ сивных жидкостей из окружающей среды;

-перераспределение диффузионно-активных компонентов (напри­ мер, пластификаторов) между элементами двигателя (зарядом, бронепокрытием, ЗКС, ТЗП).

Сорбция паров влаги из окружающей среды приводит к изменению механических характеристик смесевых твердых топлив, а также и к изменению скорости горения в увлажненных слоях топлива. Улетучивание пластификатора с открытых поверхностей заряда вызывает изменение механических свойств топлива, приводит к ухудшению воспламеняемости баллиститных топлив и изменению скорости горения поверхностных слоев заряда.

При массообмене между элементами двигателя в процессе изменения компонентного состава в различных слоях топливного элемента заряда и других элементах двигателя может происходить значительное изменение как механических, так и баллистических характеристик топлива. Например, при диффузии нитроглицерина из топлива в бронепокрытие и пластификатора покрытия в топливо происходит

снижение содержания нитроглицерина в поверхностных слоях топлива и появление в них вещества, обладающего флегматизирующим действием. В результате изменения компонентного состава топлива происходит уменьшение величины удельного импульса и скорости горения, а в итоге - падение величины предельной дальности полета. Поглощение нитроглицерина может привести к ползучести бронировки, а также к увеличению содержания в факеле РДТТ продуктов пиролиза, что в случае ограничения по дымности факела приводит к потере работоспособности двигателя. В результате диффузии компонентов наблюдается также изменение механических характеристик покрытия и нарушение адгезии твердого топлива и бронирующего покрытия.

На форму заряда, а следовательно, и на площадь поверхности горения существенное влияние в процессе хранения оказывает ползучесть и релаксация. Известны случаи сползания массы топлива при хранении двигателя и уменьшения сечения канала в нижней его части. При релаксации часто наблюдается отслоение бронепокрытия за счет действия отрывных напряжений. Отслоения подобного типа могут также возникнуть под действием перепада температур вследствие разности коэффициентов линейного расширения материалов.

Под действием светового и ионизирующих излучений (рентгенов­ ское, у-лучи, быстрые или медленные нейтроны, быстрые электроны, а- частицы и другие продукты ядерных реакций) происходит изменение мо­ лекулярной и надмолекулярной структур компонентов, в результате чего могут изменяться физико-механические характеристики и скорость горе­ ния топлива, что при определенной глубине изменений может приводить к такому изменению эксплуатационных характеристик, что они выходят за пределы требований технической документации.

Одним из факторов, лимитирующих срок служебной пригодности зарядов РДТТ, является самовоспламенение заряда - тепловой взрыв.

Тепловой взрыв может наблюдаться на зарядах, в которых тепловыделение, сопутствующее реакции разложения компонентов ТРТ, превышает потери тепла в единицу времени вследствие теплообмена заряда с другими элементами РДТТ и с окружающей средой. В результате в объеме топливного элемента происходит постепенное повышение температуры, которое способствует самоускорению экзотермических реакций разложения компонентов ТРТ вплоть до самовоспламенения. Очевидно, что сроком служебной пригодности в данном случае будет период времени, определяемый периодом индукции самовоспламенения.

Так было на начальной стадии производства крупных партий нитроцеллюлозных порохов. В настоящее время теория и методы устранения условий возникновения теплового воспламенения настолько хорошо разработаны, что вероятность теплового взрыва в условиях штатного хранения и эксплуатации зарядов РДТТ практически сведена к нулю. Все вопросы решаются еще на стадии отработки нового ТРТ. Одновременно проблема теплового взрыва решается и с позиций обеспечения технологической безопасности в случае нештатного (аварийного) ведения процесса и вероятных аварийных ситуаций при эксплуатации изделий ракетной техники (в частности, при пожаре).

В связи с тем, что заряд РДТТ представляет собой сложную систему, наблюдается ряд явлений, связанных с взаимным влиянием элементов заряда, что может также способствовать потере работоспособности. Известны случаи, когда стабильные при раздельном хранении материалы, из которых изготовлены заряд, теплозащитное покрытие (ТЗП) и другие элементы двигателя, при совместном хранении в одном корпусе существенно изменили механические характеристики за короткий промежуток времени. Или, например, отслоение ТЗП от корпуса может привести к прогару корпуса двигателя, т.е. к потере двигателем

работоспособности, в то время как заряд твердого топлива функционирует нормально.

Известно также, какое большое влияние на внутрибаллистические характеристики (ВБХ) оказывает состояние воспламенителя при хране­ нии. Воздействие паров воды, попадающих в него извне при нарушении герметичности воспламенителя или образующихся при реакциях разло­ жения воспламенительного состава, может вызвать нарушение функцио­ нирования воспламенителя и привести или к низкочастотной неустой­ чивости горения заряда, или, вообще, к отказу в работе.

В результате многочисленных исследований, проведенных в последней трети XX в., составлен следующий перечень процессов, приводящих к потере работоспособности зарядов при их длительном хранении и эксплуатации:

1.Термическое (химическое) разложение.

2.Климатическое старение.

3.Фазовые превращения компонентов.

4.Расслоение при несовместимости материалов изделия.

5.Массообменные процессы.

6.Радиохимические процессы.

7.Биохимические процессы.

8.Процессы под влиянием специфических воздействий, обусловле ных в ТЗ на изделие.

Это далеко не полный перечень процессов старения топлив и зарядов из них.

Хотя все вышеперечисленные процессы могут протекать одновременно, срок служебной пригодности лимитируется, как правило, одним из них. Превалирующая роль того или иного процесса в потере работоспособности заряда РДТТ определяется конструктивными

особенностями заряда, составом и свойствами материалов, из которых изготовлены элементы двигателя, условиями его хранения и эксплуатации.

Например, на основании анализа факторов, лимитирующих ССП забронированных зарядов из баллиститных топлив, были получены следующие результаты.

Заряды были изготовлены из одних и тех же материалов, но отлича­ лись геометрическими размерами. В зарядах с малой толщиной горящего свода ( d < 25 мм) процессом, лимитирующим ССП, является диффузия нитроглицерина в бронепокрытие. При малой толщине свода диффузион­ ный слой оказывает значительное влияние на внутрибаллистические ха­ рактеристики.

С ростом толщины свода действие этого фактора ослабевает (умень­ шается относительный размер слоя, в котором наблюдается диффузионный процесс) и для зарядов с > 25 мм происходит смена фактора, лимити­ рующего ССП. В зарядах с диаметром от 25 до 100 мм лимитирующим процессом становится газовыделение при термическом разложении топли­ ва. Газообразные продукты разложения вызывают отслоение покрытия за счет их накопления вследствие более низкой газопроницаемости покрытия на границе раздела топливо - бронепокрытие.

При толщинах горящего свода более 100 мм продукты разложения не успевают диффундировать к поверхности раздела. Накапливаясь в толще топлива, они создают предпосылки для растрескивания заряда. Чем больше диаметр, тем больше действие этого фактора.

Таким образом, даже самая полная информация о стабильности по­ роха или ТРТ (как материала) не является достаточной для определения срока служебной пригодности конкретного изделия из данного материала в заданных условиях хранения и эксплуатации.

На основании рассмотрения причин потери работоспособности можно построить схему возникновения отказов (рис. 2).

Процессы старения в зарядах РДТТ обусловлены воздействием внешних и внутренних факторов. Модуль «Внешние факторы» отражает взаимодействие заряда с окружающей средой, которое определяется

хранением и эксплуатацией в различных условиях.

К внутренним факторам относятся механические напряжения, градиенты концентрации и температуры, химическая неравновесность и т.п., которые обусловлены тем, что заряд после его изготовления

В результате действия этих факторов в заряде РДТТ будут протекать различные физико-химические процессы (модуль «Процессы старения»). Все эти процессы в той или иной степени вызывают изменения в природе материалов двигателя. Современный уровень экспериментальной техники позволяет исследовать изменение свойств материалов изделия при старе­

нии на различных уровнях.

К микроуровню отнесем атомно-молекулярный и надмолекулярный

уровни, изучаемые при помощи спектроскопии (фотоэлектронной, рентге­ ноэлектронной и колебательной), ядерного магнитного резонанса, рассея­ ния нейтронов, эмиссионного анализа, рентгенографии, электронографии, газовой хроматографии и т. д. На этом уровне (назовем его уровнем а) исследуются характеристики молекулярной, надмолекулярной и фазовой структур, например, молекулярная масса, молекулярно-массовое распреде­ ление, химический состав и его распределение по координатам, глубина разложения, число поперечных связей, скорость газообразования и др.

Изменение физико-химических характеристик вызывает соответст­ вующее изменение свойств материалов на макроскопическом уровне р. На этом уровне исследуются физико-механические (прочность, удлинение при разрыве, модуль упругости) и баллистические характеристики (ско­ рость и закон скорости горения, калорийность и т.п.).

Рис. 2. Схема возникновения отказов в зарядах РДТТ при старении

На этом уровне в случае необходимости исследуются напряженно-

деформированное и тепловое состояния изделия.

Изменение свойств материалов, в свою очередь, вызывает изменение параметров рабочего процесса в камере сгорания, которое отражается на

зависимости давление - время, плотности и объеме продуктов горения,

температуре горения в камере сгорания, содержании конденсированной

фазы в продуктах горения и т.п. (уровень у).

Вся эта цепь изменений, в конечном счете, приводит к изменению

эксплуатационных характеристик двигателя: закона изменения тяги, суммарного импульса, секундного весового расхода и др. Как только эксплуатационные характеристики выходят за область допустимых значений, регламентируемых требованиями технического задания на изделие, изделие (заряд РДТТ, газогенератор, аккумулятор давления и т.д.)

считается потерявшим работоспособность. Если, несмотря на

происшедшие в заряде РДТТ изменения, эксплуатационные

характеристики соответствуют требованиям ТТЗ, заряд считается работоспособным.

Для определения ССП конкретного изделия необходимо смоделиро­

вать все встречающиеся на практике воздействия на данный заряд и в ди­

намике исследовать всевозможные процессы, протекающие при задан­

ных условиях хранения и эксплуатации. На основе этих исследований должна быть установлена связь результатов этих процессов с измене­

нием эксплуатационных характеристик и произведена количественная оценка либо величины изменения значений эксплуатационных парамет­ ров в некоторый момент времени, либо времени до критического измене­ ния этих параметров.

Таким образом, современная методология прогнозирования сроков служебной пригодности зарядов предусматривает комплекс исследований,

как на образцах материалов, так и испытаний (длительных и ускоренных)

натурных и модельных изделий.

На образцах материалов предусматривается исследование:

-термического разложения;

-климатического старения;

-критических условий самовоспламенения;

-фазовых превращений компонентов;

-совместимости материалов изделия;

-массообменных процессов;

-влияния поражающих факторов ядерного взрыва;

-влияния биологических факторов;

-влияния специфических воздействий, обусловленных в ТТЗ на

изделие.

На натурных и модельных изделиях предусматриваются:

-исследование изменения баллистических характеристик в течение

ССП;

-исследование напряженно-деформированного состояния и прочно­ сти изделия в течение ССП;

-ускоренные испытания натурных изделий с целью выявления сла­ бых мест в конструкции;

-ускоренные испытания неполномасштабных изделий для подтвер­ ждения отдельных расчетных схем прогноза.

5.Испытания натурных и модельных зарядов

Утверждение, что для прогнозирования ССП можно обойтись только

непосредственными испытаниями натурных зарядов, просуществовало

сравнительно недолго. Рассмотрим это подробнее.