книги / Смесевые ракетные твёрдые топлива компоненты, требования, свойства

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное агентство по образованию

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Кафедра химии и технологии высокомолекулярных соединений

Н. Г. Рогов, М.А. Ищенко

СМЕСЕВЫЕ РАКЕТНЫЕ ТВЕРДЫЕ ТОПЛИВА:

КОМПОНЕНТЫ. ТРЕБОВАНИЯ. СВОЙСТВА

Учебное пособие

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2005 г

УДК 662.62; 662.311

Рогов Н.Г., Ищенко М. А.

Смесевые ракетные твердые топлива: Компоненты. Требования. Свойства: Учебное пособие. - СПб.:

СПбГТИ (ТУ), 2005. - 195 с.

Рассмотрены вопросы, связанные с компонентами смесевых ракетных твердых топлив, включая основные требования к СРТТ и к их компонентам, а также основные свойства компонентов СРТТ и их влияние на эффектив­ ность и основные характеристики СРТТ.

Предназначено для студентов 4 - 6 курсов, обучающихся по специаль­ ности 240702 - Химическая технология полимерных композиций, порохов и твердых ракетных топлив, и соответствует рабочей программе по дисцип­ лине «Физико-химические свойства взрывчатых веществ, порохов и твер­ дых ракетных топлив».

Рис. - 26, табл. - 43, библиогр. - 20 назв.

Рецензенты:

Н. В. Сиротинкнн,

д-р хим. наук, профессор, зав. кафедрой технологии синтетического каучука и элементорганических соединений СПбГТИ (ТУ).

А. В. Косточко,

д-р хим. наук, профессор, зав. кафедрой химии и технологии высокомолекулярных соединений Казанского

государственного технологического университета (КГТУ).

Рекомендовано к изданию УМО по образованию в области химической технологии и биотехнологии Федерального агентства по образованию Министерства образования и науки

Российской Федерации

ISBN 5-98408-037-0

ПРЕДИСЛОВИЕ

Ракеты с двигателями на смесевом ракетном твердом топливе на­ шли применение практически во всех видах ракетного вооружения и в дви­ гателях различного назначения. Особое же значение СРТТ имеют для при­ менения в ракетных двигателях межконтинентальных ракет стратегического назначения. Возможность получения крупногабаритных зарядов, прочноскрепленных с корпусом, достаточно высокие энергетические характери­ стики, эксплуатационная надежность и простота обслуживания привели к интенсивной разработке РДТТ (ракетных двигателей твердого топлива) как в США, так и в СССР. Наибольшее распространение получили ракеты с подвижным стартом, то есть базирующиеся на подводных лодках, на колес­ ном, гусеничном и железнодорожном транспорте. Из ракет США можно назвать такие, как семейство ракет «Минитмен I, II, III », «Поларис» раз­ личных вариантов, «Посейдон», «Трайдент», а из отечественных такие, как «Пионер», «Тополь», «Тополь-М» и другие.

В80-х годах ушедшего 20 века в СССР были созданы новые ракеты

сдвигателями на смесевом ракетном твердом топливе для РВСН (ракетных войск стратегического назначения) и новые ракетные комплексы систем ПРО (противоракетной обороны), значительно превосходящие мировые аналоги. Начатая в 1985 году «перестройка», навязанная оборонным пред­ приятиям так называемая «конверсия», ельцинские «реформы» и их про­ должение в значительной мере разрушили созданный трудом советского народа оборонный потенциал России. В значительной мере это относится и к производству перспективных и даже «штатных» компонентов, необходи­ мых для высокоимпульсных СРТТ. Уничтожены и сокращены многие про­ изводства «спецхимии».

Для восстановления экономического и оборонного потенциала по­ требуются колоссальные средства, новые прогрессивные технологии, талант и энергия молодежи. Считаю необходимым сохранить и передать будущим специалистам хотя бы небольшую часть знаний, накопленных коллективом кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений в области

СРТТ.

Данное учебное пособие написано на основе материалов лекций, читаемых студентам кафедры XT ВМС. В декабре 2005 года Николаю Гри­ горьевичу Рогову исполнилось бы 75 лет. Выход в свет учебного пособия, подготовленного с его участием, является и выполнением нашего долга пе­ ред настоящим патриотом специальности.

Автор выражает благодарность рецензентам - декану факультета технологии органического синтеза и полимерных материалов, заведующему кафедрой технологии синтетического каучука и элементоорганических со­ единений, профессору Н.В. Сиротинкину и заведующему кафедрой химии и

3

технологии высокомолекулярных соединений Казанского государственного технологического университета, профессору А.В. Косточко за труд озна­ комления с рукописью учебного пособия.

Особую благодарность автор выражает ректору СанктПетербургского государственного технологического института (техниче­ ского университета) А.С. Дудыреву, генеральному директору ФГУП «НИИПМ» (г. Пермь) А.П. Талалаеву и выпускнику кафедры химической энергетики СПбГТИ (ТУ) И.А. Филиппову за финансовую помощь, связан­ ную с изданием книги.

Заведующий кафедрой химии и технологии высокомолекулярных соединений, профессор кафедры ракет и боеприпасов военного факультета СПбГТИ (ТУ)

М.А.Ищенко

4

ВВЕДЕНИЕ

Смесевые ракетные твердые топлива (СРТТ) находят широкое приме­ нение в ракетах различных классов и назначения. Это обусловлено тем, что при их компоновке используются полимерные связующие, окислители, ме­ таллические горючие и другие составляющие, отличающиеся по природе и свойствам, что позволяет создавать на их основе рецептуры топлив с широ­ ким диапазоном энергетических и эксплуатационных характеристик.

Настоящее учебное пособие посвящено рассмотрению свойств основ­ ных ингредиентов, применяемых в СРТТ, взаимосвязи свойств компонентов со свойствами наполненных рецептур и пути их регулирования. При этом авторы стремились придерживаться, по возможности, исторической после­ довательности развития СРТТ.

Первым этапом исследований в области СРТТ можно считать период с 1953 по 1955 годы. На этом этапе проводились разработки дешевых, так называемых суррогатных топлив, базирующихся на применении таких ком­ понентов как битумы, смолы, асфальты в качестве горючих связующих и калиевой селитры в качестве окислителя. В связи с низкими энергетически­ ми характеристиками, нестабильностью горения и неудовлетворительными физико-механическими свойствами эти топлива не нашли применения и работы были прекращены.

С1958 года начался второй этап активных работ в области СРТТ. На этом этапе исследования велись в направлении разработки высокоэффек­ тивных топлив различного назначения.

Что же такое смесевое ракетное твердое топливо?

Всоответствии с классификацией взрывчатых составов СРТТ относят­ ся к классу метательных взрывчатых веществ.

Сточки зрения материаловедения СРТТ представляют собой дисперс­ но-наполненные композитные системы, в которых роль матрицы выполняет эластомерный вулканизат, а твердыми наполнителями являются частицы окислителей, взрывчатых веществ, металлического горючего, а также раз­ личные небольшие добавки, применяемые для воздействия на технологиче­ ские, механические, баллистические и другие свойства топлива.

Вобобщенном виде можно дать следующее определение:

СРТТ - это гетерогенная взрывчатая система, состоящая из полимерно­ го связующего, окислителя, металлического горючего и специальных доба­ вок, получаемая путем механического смешения входящих в ее состав ком­ понентов с последующим превращением в твердый монолитный блок, спо­ собный к закономерному горению.

Прародителем СРТТ обычно считают дымный порох. В какой-то сте­ пени это правильно, так как в обоих случаях окислитель и горючее являют­

5

ся самостоятельными компонентами. Порох образуется в результате их ме­ ханического смешения. Однако, строго говоря, СРТТ и дымный порох - это далеко не одинаковые системы. СРТТ являются более сложными компози­ циями, состоящими из 7 - 12 и более компонентов, а их получение связано с различными физико-химическими процессами, сопровождающимися обра­ зованием как физических связей на границе связующее - наполнитель, так и химических связей за счет реакций лежащих в основе образования сшитых эластомеров.

6

1 СМЕСЕВЫЕ РАКЕТНЫЕ ТВЕРДЫЕ ТОПЛИВА

1.1 Принципиальный состав СРТТ

Как следует из данных выше определений, СРТТ состоят из следующих компонентов:

•полимерного связующего - горючего, в качестве которого обычно применяются синтетические каучуки и полиэфиры;

•пластификатора связующего, представляющего собой, как правило, низковязкую высококипящую жидкость;

•компонентов системы отверждения;

•окислителя (мелкокристаллический порошок);

•металлического порошкообразного горючего;

•энергетически выгодного наполнителя (обычно ВВ)

•катализатора или ингибитора горения;

•поверхностно-активного вещества (ПАВ);

•антислеживающей добавки;

•антиоксиданта;

•регулятора скорости отверждения.

Необходимо отметить, что первые три компонента образуют полимер­ ную связующую основу топлива, и что не все топлива содержат весь набор перечисленных компонентов.

Содержание компонентов в топливе обычно находится в следующих пределах:

связующее -10-5-25% (массовых)

пластификатор -50-5- 80 % от общего содержания связующего окислитель - 50 * 75 % металлическое горючее - 7 -5- 20 % энергоемкие наполнители - 20 -5- 30 % катализаторы горения -0.1 -5- 2.0 %

Поверхностно-активные вещества, компоненты системы отверждения, антислеживающие добавки, антиоксиданты, регуляторы скорости отвер­ ждения обычно вводятся в количестве десятых, сотых долей процента.

1. 2 Назначение компонентов

Связующее - горючее выполняет четыре основные функции: в исход­ ном жидком состоянии обеспечивает получение топливной массы с необхо­ димым для технологии уровнем реологических характеристик (вязкость,

7

растекаемость, живучесть); в отвержденном состоянии является компонен­ том, связывающим все составляющие топлива в единую систему; обеспечи­ вает необходимые физико-механические характеристики готового топлива; является горючим веществом, поставщиком газообразных продуктов.

Окислитель - источник окислительного агента в активной форме, обес­ печивающего процесс горения.

Металлическое горючее повышает энергетические характеристики то­ плива за счет высокого теплового эффекта, повышает плотность топлива, способствует повышению устойчивости, стабильности горения топлива, обеспечивая уровень давления в двигателе в соответствии с видом кривой 1 (стабильное горение), вместо кривой 2 (нестабильное горение), что видно из рисунка 1.

Рисунок 1 - Стабильное горение (кривая 1) и нестабильное гбрение (кривая 2)

Энергетически выгодные наполнители вводятся для повышения удель­ ного импульса топлива за счет высокой энтальпии образования наполните­ лей.

Пластификаторы применяются для расширения диапазона высокоэла­ стического состояния топлива, т.е. для понижения температуры стеклова­ ния, а также для улучшения технологических свойств исходного связующе­ го и топливной массы, для повышения эластичности топлива, повышения энергетических характеристик и регулирования скорости горения.

Регуляторы скорости горения - катализаторы и ингибиторы позволяют изменять уровень скорости горения и зависимость ее от давления.

Поверхностно-активные вещества вводятся для улучшения реологиче­ ских (технологических) свойств топливной массы, а в некоторых случаях и для улучшения физико-механических свойств топлива.

Антислеживаюшие добавки вводятся в окислитель путем смешивания для исключения или замедления процесса слеживания (агломерации) частиц окислителя и сохранения их дисперсности и формы.

Антиоксиданты вводятся вместе со связующим и служат для повыше­ ния стабильности полимера к процессам термоокислительной деструкции.

8

Регуляторы процесса отверждения применяются либо для повышения «живучести» топливной массы за счет ингибирования реакций, либо для ускорения реакции отверждения и сокращения длительности технологиче­ ского цикла при использовании катализаторов.

В качестве примера можно привести следующий вариант топливной композиции:

связующее - каучук - 10.50% пластификатор - трансформаторное масло - 5.50 % окислитель (ПХА) - 47.00 % алюминий15.00 %

энергоемкий наполнитель - гексоген - 21.00 % катализатор горения - 0.60 % антислеживающая добавка (аэросил) -0.12%

1.3 Принципиальные технологические схемы получения зарядов СРТТ

Различают четыре схемы:

•литье под небольшим давлением

•свободное вакуумное литье

•проходное прессование

•глухое прессование

Во всех вариантах процесс можно разделить на четыре блока: подго­ товка компонентов, получение топливной массы и формование заряда, от­ верждение топлива и концевые операции (дефектоскопия, взвешивание, механическая обработка, маркировка и т.п.).

Принципиально технология заключается в том, что компоненты прохо­ дят подготовку: сушку, измельчение, фракционирование, дегазацию и т.п., смешиваются, образуя топливную массу той или иной вязкости, которая подается в технологическую форму или корпус двигателя, и направляется на отверждение. Во всех схемах блоки процесса первый, третий и четвертый не отличаются. Принципиальная разница заключается во втором блоке и предопределяется способом смешивания массы и формования заряда.

В технологии литья под давлением компоненты смешиваются в аппа­ рате с мешалками и шнеком (СНД-50, СНД-500, СНД1000, СНД-2000), с помощью которого масса непрерывно подается в форму. В технологии сво­ бодного литья компоненты смешиваются или в аппаратах гравитационного смешивания, т.е. в отсутствии смешивающих элементов (смесители типа

9

«пьяной» бочки С-15, С-5, С-5П), или в аппаратах с планетарной мешалкой (СП-IT, СП-2Т), и затем масса под собственным весом под вакуумом слива­ ется в форму.

В технологии проходного прессования массу подают в форму с помо­ щью шнек-прессов, аналогичных таковым в технологии баллиститных порохов. В технологии глухого прессования массу подают с помощью гидрав­ лических прессов.

Промышленное значение имеет технология литья под давлением и тех­ нология свободного литья. Технология проходного прессования применяет­ ся весьма ограниченно, а технология глухого прессования применяется в лабораторных условиях. Целесообразность той или иной технологии зави­ сит от уровня вязкости топливной массы, от чувствительности компонентов и композиции к механическим воздействиям и от габаритов получаемого заряда. Непрерывная технология литья под давлением наиболее эффективна для получения крупногабаритных зарядов (1 т 100 т) из топливной массы повышенной вязкости (более 15000 пз) и умеренной чувствительности. Технология свободного литья наиболее эффективна для получения малога­ баритных зарядов (до 0.5 т) при применении смесителя С-15 (загрузка 500 кг), для получения зарядов с массой 1.0 - 2.0 т. при применении смесителей типа СП и крупногабаритных зарядов с массой 5.0 - 10.0 т при применении смесителей типа С-5 (загрузка 5.0 т). По технологии свободного литья мож­ но получать и более крупные заряды с массой до 100 т и более методом так называемой порционной заливки, когда масса готовится в смесителе типа СП, а затем корпус смесителя с массой подается к шахте с установленным в ней корпусом двигателя, и масса сливается в этот корпус. Количество сли­ вов определяется требуемой массой заряда. После заполнения корпус термостатируется в этой же шахте при температуре необходимой для отвер­ ждения топлива. Такая технология реализована в США и у нас.

Технология свободного литья особенно целесообразна для получения зарядов из топливной массы с пониженной вязкостью и повышенной чувст­ вительностью.

Технология проходного прессования представляет интерес для получе­ ния малогабаритных зарядов из высоковязкой массы с невысокой чувстви­ тельностью к механическим воздействиям.

1.4 Принципиальные схемы снаряжения двигателей

Заряды из СРТТ применяются в двух вариантах (рисунок 2): 1. Вкладной заряд

По этому варианту заряд изготавливается в технологической форме и, после прохождения концевых операций, идет на снаряжение двигателя. В

10