Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Пороха, ракетные твердые топлива и их свойства. Пороха и ракетные твердые топлива - источники тепловой энергии и газообразного рабочего тела. Учебное
.pdf
ppTRкк
)()]1/(2[
−−
НОО
где η
Э
=U
э/Uэ.max
=
−
a
TRкк
)]1/(2[
ОО
- коэффициент
использования энергии газовой струи.
Конкретизированная экспериментально для баллиститных РТТ
зависимость имеет вид:
J
=172·q
уд
3,0
,
)(жV
где q
- удельная изохорная теплота сгорания РТТ, кДж/кг.
V
(ж)
8. К баллистическим характеристикам порохов и РТТ относит-ся
также скорость горения, являющаяся кинетическим парамет-ром
процесса. Практическое применение законов при изучении
процесса горения и газообразования рассматривается в учебни-ках
по внутренней баллистике.
Расчеты характеристик порохов и РТТ можно провести, не
имея данных о составе продуктов горения и их параметрах.
Эти расчеты основаны на физической связи характеристик порохов
(РТТ) с их составом. При расчетах в этом случае исполь-зуются
следующие формулы.
• Для расчета удельной теплоты сгорания - уравнение
Де-Поу-ОБ
m
q
= )28434,5(
V
(ж)
1
β
jj
−+⋅∑ Nn
или по упрощенной, но менее точной формуле
m
q
V
(ж)
=
n⋅∑
β
,
1
jj
где βj - термический коэффициент для j-го компонента пороха табличная величина (табл.2.14); nj - процентное содержание j-го
компонента пороха; N - процентное содержание азота в НЦ.
q
Величина
определяется также экспериментально кало-
V
(ж)
риметрическим методом по ГОСТ 8676-58.
• Для расчета удельного объема газообразных продуктов го-
рения, отнесенного к нормальным условиям, применяют формулу
232
V
=22,4(а+0,5в+0,5d)·10
уд
-3
,
где Vуд - в м3/кг; 22,4 - объем 1 моля газа в 1 м3 при нормальных
условиях; а, в, d - мольная концентрация углерода, водорода и
азота в порохе - из элементной формулы пороха.
• Температуру горения пороха можно определить по следующим интерполяционным формулам:
- для пироксилинового пороха
Tг=0,696· q
+273;
V
(ж)
- для баллиститного пороха и РТТ
T
=0,5· q
г
+970
V
(ж)
• Расчет показателя процесса горения в случае пироксилино-вых
порохов производят по формуле
к=1+
1176,0
5
−
+⋅⋅
T
Г
329,01014,7
в случае баллиститных порохов и РТТ по формуле
4
−
1039,0458,0(369,0
⋅⋅−
Т
к=1+
5
−
3291014,7
+⋅⋅
Т
Г
Г
• Для расчета силы пороха используют формулу
f1=6817+0,846· q
V
(ж)
·10-1,
где f1 - в кДж/кг, q
- теплота сгорания в кДж/кг.
V
(ж)
2.3.4.2. Влияние различных факторов на энергетические и
баллистические характеристики порохов и РТТ
233
Энергетические характеристики порохов и РТТ зависят от их
состава, содержания и природы компонентов, условий реализа-ции
запаса энергии при выстреле из ствольного оружия или при работе
РДТТ. Кроме того, энергетические характеристики поро-хов и РТТ
изменяются в процессе хранения и по этой причине
зависят от условий и времени хранения.
Природа пороха (РТТ) и их компонентный состав.
В порядке убыли запаса энергии пороха и РТТ могут быть
расположены в следующий ряд:
- смесевые РТТ (СРТТ);
- баллиститные минометные пороха и баллиститные РТТ (БРТТ);
- пироксилиновые пороха для стрелкового оружия;
- пироксилиновые орудийные пороха;
- баллиститные орудийные пороха;
- сгорающие гильзы (СГ);
- дымные ружейные пороха (ДРП).
По значению теплоты сгорания (q
=2940 кДж/кг) ДРП нахо-
V(ж)
дятся на уровне нитратцеллюлозных порохов средней калорийности (орудийных порохов, «холодных»). Однако при горении ДРП
образуется около 55% твердых продуктов, которые не участвуют в преобразовании тепловой энергии продуктов горения в
кинетическую энергию движения метаемого тела. По этой при-чине
величина «силы» ДРП примерно в 3 раза меньше, чем у нитратцеллюлозных порохов. Основное назначение ДРП - средства
воспламенения орудийных и ракетных зарядов. Несмотря на то, что
теплота сгорания материала СГ составляет около 1890 кДж/кг, по
работоспособности продукты их горениия превосходят про-дукты
горения ДРП, так как при сгорании СГ образуется боль-шое
количество газообразных веществ. Энергетические возмож-ности
ПП ограничиваются запасом энергии основного компонен-та –
нитратов целлюлозы. Энергетические показатели НЦ определяются содержанием азота (степенью нитрации):
q
o
J
=-5932,50 + 256,21N, кДж/кг;
298
= 674,7·N - 4630,2, кДж/кг;
V(ж)
234
Vуд = (1515 - 48,72·N) ·10-3, м3/кг;
f
= 112·N- 356, кДж/кг;
1
Тг = 483,2·N - 3008, К.
При предельной степени нитрации (N=14,14%) приведенные
энергетические показатели достигают значений:
o
J
=-2302,3 кДж/кг; Vуд=0,826 м3/ кг; q
298
=4898 кДж/кг;
V(ж)
f1= 1224 кДж/кг; Тг=3822 К.
В практике производства предельная степень нитрации цел-
люлозы не достигается. Для изготовления ПП используются пироксилины № 1 и № 2 с N
=13,0-13,5 %; N№2=12,1-12,5%,
№1
имеющие меньшие энергетические показатели:
для пироксилина № 1
o
J
=-(2520-2300) кДж/кг; q
298
=3800-4160 кДж/кг;
V(ж)
Тг=3225-3440 К; V
=(856-862)·10-3м3/кг; f1=1100-1180 кДж/кг;
уд
для пироксилина № 2
o
J
=-(2690-2620) кДж/кг; q
298
=2980-3490 кДж/кг;
V(ж)
Тг=2803-3018 К; Vуд =(936-911) ·10-3 м3/кг; f1 =980-1044кДж/кг.
Кроме того, наличие в составе ПП стабилизатора химической
стойкости (ДФА) и остатков спирта, эфира и влаги (летучих веществ) еще больше снижает его энергетические показатели. Экспериментальные данные показывают, что 1% летучих веществ
снижает q
о
С и силу пороха f1 - на 12 кДж/кг.
примерно на 84 кДж/кг, температуру горения - на 60
V(ж)
Энергетические характеристики БП и БРТТ изменяются в бо-лее
широких пределах (табл.2.19) и определяются в основном природой
и содержанием труднолетучего растворителя – пласти-фикатора и
могут изменяться за счет других компонентов.
Значение q
константы β, под которой понимают степень изменения q
определяется величиной термохимической
V(ж)
V(ж)
235
при
изменении в составе пороха на 1% (10 г на 1 кг пороха) данного
компонента. Наиболее высоким значением β обладает
нитроглицерин (β
дигликоль имеют величину β соответственно: β
и β
=+45,36 кДж/%.
ндг
=+74,34 кДж/%). Нитроксилитан и нитро-
нгл
=+54,18к Дж/%
нкл
Таблица 2.19
Энергетические характеристики БП и БРТТ
Шифр и состав,
%
«Н»
НЦ-57%;
НГЛ-28%,
ДНТ-11%
и др.
НМ-2
НЦ-54%; НГЛ27%, ДНТ-15%;
МgО-2%
и др.
СУN (США)
НЦ-22,1%;
НГЛ-28,6%;
NH4Cl04- 22,0%;
Al-20%
и др.
HES-4016 (США)
Тр,
о
С
К=Ср/С
q
V(ж)
кДж/кг
3710 2371 1,245
3700 2352 1,240
5350 3938 1,169
4100 3183 1,175
f1,
V
кДж/кг
858 0,980 2275
847 0,96
1200 0,69
1100 0,85
Vуд ,
3
/кг
м
J
при
1
р=10
МПа,
Нс/кг
2250
2670
2547
НГЛ-43%;
Ц №1-3%
236
JPN (США)
НЦ-51,5%;
НГЛ-43%;
ДЭФ-3,25%
и др.
4050 3100
1,18
1100 0,84
2497
В связи с этим значения q
у нитроглицеринового пороха
V(ж)
(НГП) оказываются более высокими, чем у порохов на основе
динитратдиэтиленгликоля (ДНДЭГП) и нитроксилитана (НКП)
(при равном их содержании в порохе).
Регулирование энергосодержания БП осуществляется также
путем введения в их состав специальных компонентов, повышающих или снижающих теплоту сгорания.
Так, для снижения теплоты сгорания БП в него вводят ДНТ
(β
=-4,19 кДж/%), ДБФ(β
днт
Стабилизаторы химической стойкости: централит №1 (β
=-102,48 кДж/%), дифениламин (β
=-89,02 кДж/%) и другие вещества.
ДБФ
=-113,28 кДж/%) также
дфа
=
ц
1
снижают энергосодержание в порохе.
Для повышения теплоты сгорания баллиститных порохов
(БРТТ) в них вводят мощные бризантные ВВ (например, ДИНА)
или высокотеплотворные металлы (Al, Mg, Be). Широкое практическое применение для этой цели нашел сплав Al c Mg, один
процент которого увеличивает теплоту сгорания пороха пример-но
на 134 кДж/кг.
Рассмотренные возможности регулирования теплоты сгора-ния
порохов (РТТ) позволяют создавать составы БП как с высо-ким
q
значением энергии (
(q
=2520-2940 кДж/кг). Это определяет возможность для дос-
V(ж)
=4620-5040 кДж/кг), так и с низким
V(ж)
таточно свободного выбора порохов и РТТ при проектировании
орудийных и ракетных систем.
В широких пределах также изменяются энергетические харак-
теристики СРТТ. Варьирование содержанием перхлората аммо-ния
237
и металлических горючих, введение в состав СРТТ мощных
бризантных ВВ, перспективных горюче-связующих и окислите-лей,
а также широкий выбор полимерных ГСВ позволяет направ-ленно
изменять не только величину единичного импульса, но и
определяющие его термодинамические параметры продуктов горения применительно к решению конкретных задач. Одним из
показателей, определяющих энергетические характеристики РТТ,
является кислородный коэффициент, определяемый соотношением между окислителем и горючими элементами в составе
компонентов порохов и РТТ:
α=
c
·100%,
)(5,02 евa
−+
где а, в, с, е - числа грамм-атомов соответствующих элементов в 1
кг пороха (РТТ).
Для ВВ с положительным кислородным балансом (КБ) α >100%,
для ВВ с нулевым КБ α=100%, для ВВ с отрицательным КБ
α <100%. Зависимость J
=φ(α) носит экстремальный характер
1ст
(рис.2.2).
238
Рис.2.2.
Зависимость J
эфирной смолы и разных окислителей: 1-гексанитроэтан;
от α для СРТТ на основе поли-
1ст
2-перхлорат аммония; 3- перхлорат лития
Значение стандартного единичного импульса при d
239
а/dкр
=2,23
и pо=10,0 МПа может быть определено по формуле Зельдовича
J
=27,4·q
1ст
при q
31,0
в кДж/кг.
V(ж)
, кг·с/кг при q
)(жV
в ккал/кг или J
V(ж)
=175·q
1ст
31,0
Н·с/кг
)(жV
Для топлив на основе гексанитроэтана максимальное значение стандартного единичного импульса J
достигается при
1CT
α=0,7, а для топлив на основе перхлората аммония и лития - при
α=0,9. Пологий характер кривых в области максимума J
воляет изменять соотношение между ГСВ и окислителем в сторону
меньших α, что обеспечивает улучшение технологичнос-ти состава
без значительного снижения величины J
точках значения J
топлив на основе перхлората ли-тия,
1
ст
перхлората аммония и гексанитроэтана последовательно
увеличиваются примерно на 200 Н·с/кг. Здесь проявляется различие в величине энтальпии, которая для рассмотренных окислителей возрастает в следующем порядке: -3620 кДж/кг для перхло-рата
лития; -2482 кДж/кг для перхлората аммония и +307 кДж/кг для
гексанитроэтана. Это обстоятельство выдвигает задачу поис-ка
новых высокоэффективных окислителей, обладающих не толь-ко
высокой энтальпией, но и имеющих физико-химические свой-ства,
удовлетворяющие всему комплексу требований, предъявля-емых к
окислителям СРТТ. Так, гексанитроэтан, обладая высо-кой
энтальпией, не удовлетворяет требованиям по стабильности
физико-химических свойств. Природа горюче-связующих ве-ществ
оказывает меньшее влияния на энергетические показатели СРТТ
(табл.2.20). Слабая зависимость J
от ГСВ объясняется тем, что
1ст
большинство полимерных материалов, используемых в СРТТ,
имеют близкие по численному значению энтальпии и эле-ментные
составы. С учетом этого при выборе ГСВ в большей степени
обращается внимание на удовлетворение эксплуатацион-ных и
технологических требований, предъявляемых к СРТТ.
Таблица 2.20
Расчетное значение J
для СРТТ на основе перхлората
1ст
. В экстре- мальных
1
ст
1
ст
поз-
240
Олигомер
температура горения повышается в среднем на 25%.
аммония и некоторых ГСВ
ГСВ
СКН-26 2370 2208 Полиэфир АН-4 2318 2316
Тиокол
ПН-1
МГФ-9 2327 2285 Смола ЭД-5 2336 2316
J
при
1cт
α=1,
Н·с/кг
2318
2310 2340
J
при
1ст
20%
ГСВ,
Н·с/кг
2285
2280
2300
ГСВ
Полиуретановый
каучук
СКУ-1+ЭД-5
Полифурит 2368 262
J
при
1ст
α=1,
Н·с/кг
2312
J
1ст
20%
ГСВ,
Н·с/кг
2262
при
В целях повышения энергетических характеристик в состав
СРТТ вводят мощные бризантные ВВ, металлические горючие или
гидриды металлов. Так, при введении в топливо на основе ПХА до
20% Al
При этом замена окислителя на Al дает несколько меньший
прирост температуры, чем эквивалентная замена ГСВ. Относительное увеличение единичного импульса за счет введения Al в 2-4
раза ниже, чем относительный прирост температуры. Так, для
топлив, приведенных на рис.2.3, прирост J
составляет только 5,5-
1
ст
12,0%, в то время как температура горения возрастает на 25%.
Такое различие в изменении энергетических характе-ристик
объясняется тем, что образующаяся при горении топлива Al2О3 в
камере РД находится в конденсированном состоянии (Тк=3800оС).
В силу этого газовая постоянная продуктов горения снижается,
вызывая нарушение пропорциональности между изменением
температуры и J
увеличение J
1ст
Следует иметь в виду, что отно-сительное
1ст.
при введении металлического горю-чего зависит от
уровня запаса энергии топлива, не содержащего металл (рис.2.4).
Чем выше J
топлива, тем меньше будет его относительное
1
ст
увеличение при добавке металла.
241
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]