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
Рис.2.3. Изменение температуры горения СРТТ (ПХА+полимерная
смола) при замене окислителя или ГСВ на алюминий: цифры на графи ке - количество Аl в %, введенного взамен окислителя (левые ветви)
или ГСВ (правые ветви)
Рис.2.4.Относительное увеличение удельного импульса РТТ при
замене
полиэфирной смолы
20% окислителя на Аl в зависимости J
РТТ на основе
1исх
Для повышения энергетических характеристик в состав СРТТ и
порохов вводятся также мощные бризантные ВВ (гексоген, октоген,
242
Экспериментально
вещества «Н», «К» и др.). В сочетании с Al ВВ позво-ляют
повысить J
СРТТ до 2500 Н·с/кг при малом содержании
1
ст
NH4ClO4. Так, состав ДАП-18М, содержащий 20% гексогена и 18%
Аl, имеет J
при 25% NH4ClO4) - J
=2535 Н·с/кг; состав ПАГ (30% гексогена и 20% Al
1
ст
=2525 Н·с/кг.
1
ст
В КХТИ была разработана серия составов орудийных поро-хов,
содержащих до 30% ВВ (вещество «Н», «К» и др.). Теплота
сгорания таких порохов достигает 5000 кДж/кг. Характерно, что,
несмотря на высокое значение теплоты сгорания и температуры
горения, такие пороха вызывают сравнительно невысокое разгарно-эрозионное действие на поверхности канала ствола ору-дия.
Это открывает новые возможности для использования мощ-ных
порохов в артиллерийских выстрелах.
Условия работы ракетных двигателей.
установлено и теоретически обосновано, что полнота реализа-ции
энергии, заключенной в РТТ, зависит от рабочих параметров РД:
давления в камере и условий истечения продуктов горения. При
понижении давления в камере РД величина J1 снижается.
Я.Б.Зельдовичем дана общая зависимость J1 от давления:
J1=J
где J
и В - постоянные коэффициенты для определенного
1
m
-B/pо,
1
m
состава топлива.
Для БРТТ РСИ-12К, например, зависимость принимает вид:
J
=217,1- 500,0/ро, кгс·с/кг
1
Особенно заметно J1 снижается в области низких давлений (меньше
10,0 МПа). Причиной этого является возрастание неза-вершенности
реакций с понижением давления в РД - термохи-мические, а также
газодинамические потери.
Величина J
также зависит от отношения площади сечения
1
243
выходного среза сопла к площади критического сечения (Sa/Sкр). С
повышением этого отношения (при pо=const) величина J1
возрастает, стремясь к некоторому для данного топлива пределу.
Условия и время хранения. При длительном хранении порохов и
РТТ наблюдается общая тенденция к снижению их энергетических
характеристик. Относительное снижение энерго-содержания
зависит от природы пороха (РТТ), содержания вхо-дящих в него
компонентов и условий хранения. Эксперимен-тально установлено,
что теплота сгорания и величина J1 для большинства СРТТ,
хранимых в герметичной укупорке, прак-тически мало изменяются
в течение всего гарантийного срока.
Специальными исследованиями было показано, что некото-рое
изменение теплоты сгорания полиуретановых топлив наблюдается лишь в послетехнологический период до 30 суток после
изготовления. Максимальное снижение теплоты сгорания при этом
не превышает 84 кДж/кг. Снижение теплоты сгорания в
послетехнологический период связано с протеканием процессов
остаточной полимеризации горюче-связующего. Известно, что с
повышением вязкости на заключительной стадии отверждения
химические процессы образования валентных связей между
макромолекулами носят топохимический характер и протека-ют
с малой скоростью. В силу этого на стадии технологичес-кого
отверждения процесс полимеризации полностью не за-вершается
и может протекать еще некоторое время после окон-чательного
изготовления зарядов. В последующем, после за-вершения
процессов остаточной полимеризации, термохими-ческие
показатели СРТТ стабилизируются.
Вывод о высокой стабильности энергетических характерис-тик
СРТТ справедлив лишь для условий нормального хранения зарядов
в герметичной укупорке. В случае разгерметизации дви-гателей или
хранения зарядов в негерметичной укупорке и особенно в условиях
повышенной влажности энергетические, как и другие свойства
СРТТ, могут существенно снижаться. Об этом свидетельстуют
экспериментальные данные (табл.2.21).
244
Теплота
превращения связующего под воздействием влаги.
Таблица 2.21
Изменение термохимических характеристик отвержденных
связок на основе СКУ-1 после хранения в разных условиях
Условия
хранения
До хранения - 25259 -3373
На холоде при -10оС 45 25162 -3368
При φ=100%,
Т=20оС
При Т=20-40оС,
негерметично
При Т=20оС,
негерметично
Срок
хранения,
сутки
10
45
5
9
45
сгорания,
кДж/кг
24217
24020
25238
25019
25082
Энтальпия,
кДж/кг
-5670
-6325
-4279
-4268
-8570
Из табл.2.21 видно, что при хранении в атмосфере с абсолют-
ной влажностью энтальпия полиуретанового ГСВ изменяется почти
в 2 раза, что связано как с высоким влагопоглощением в этих
условиях, так и с интенсификацией процессов химического
Энергетические характеристики нитратцеллюлозных порохов
при длительном хранении могут изменяться в большей степени.
Эти изменения также зависят от условий хранения. В случае
хранения нитратцеллюлозных порохов в герметичной укупорке,
когда скорость физико-химических изменений существенно замедляется и удаление продуктов этих превращений затрудняется,
энергетические показатели нитратцеллюлозных порохов изменяются в меньшей степени. Продукты разложения нитроэфиров
вступают во взаимодействие со стабилизаторами химической
стойкости. По этой причине, если летучие продукты превраще-ния
из порохов не удаляются, происходит замена одних хими-ческих
связей на другие. Так, нитрогруппа, потерявшая связь с
нитроэфиром, присоединяется к стабилизатору химической стойкости и суммарное содержание азота и кислорода в порохе при
этом практически не изменяется, что сказывается на сохранении
уровня энергетических показателей. Подобная стабильность
энергетики порохов происходит при затруднении улетучивания
245
спиртоэфирного растворителя из ПП и труднолетучего растворителя из БП.
При хранении ПП в негерметичной укупорке изменение энергетических характеристик носит слабовыраженный экстремаль-ный
характер. На начальной стадии хранения теплота сгорания ПП
несколько возрастает (на 63-126 кДж/кг), что является след-ствием
потерь порохом летучих компонентов. После достиже-ния
максимума теплота сгорания при дальнейшем хранении некоторое время остается постоянной, а затем начинает монотонно
убывать.
Примечательно, что характер и относительное изменение теплоты сгорания существенно отличается от изменения химичес-кой
стойкости ПП. Это связано с тем, что теплота сгорания явля-ется
интегральным показателем, на изменение которого оказыва-ет
влияние все многообразие физико-химических изменений,
происходящих в порохе при хранении. Очевидно, что среди них
есть процессы, вызывающие как повышение, так и снижение теплоты сгорания в процессе хранения порохов.
Изменение энергетических характеристик при хранении нитратцеллюлозных порохов в условиях повышенной влажности
происходит с большей скоростью и на большую глубину. Это
подтверждается сделанными ранее выводами об отрицательном
влиянии влаги на многие свойства порохов и РТТ и необходимос-ти
принятия надлежащих мер по защите их от увлажнения.
Пути повышения работоспособности продуктов горения порохов и РТТ вытекают из анализа зависимостей термодинами-ческих
параметров от кислородного коэффициента α (рис.2.5).
246
дуктов горения на поверхность канала ствола орудия и сопла РД.
Рис.2.5. Обобщенные зависимости термодинамических пара-
метров продуктов горения порохов и РТТ от α: Т- температура
горения; R0 - удельная газовая постоянная; k - показатель про-
цесса горения; µ(М) - молярная масса продуктов горения
С увеличением α температура горения Тг возрастает. Однако ее
существенное повышение не допустимо, так как при этом увеличивается разгарно-эрозионное воздействие высоконагретых про-
Характеристикой работоспособности продуктов горения порохов является сила пороха, термодинамическое выражение которой имеет вид:
f1=RO·TV,
а работоспособности продуктов горения РТТ - удельный им-пульс
тяги, имеющий следующее газодинамическое выражение:
/1 КК
Jуд= ])/(1[)1/(2
−⋅−
aP OO
Из этих выражений видно, что увеличить f
−
ppTRкк
и Jуд, т.е. работо-
1
способность продуктов горения порохов и РТТ можно за счет
увеличения их удельной газовой постоянной R
, с которой свя-зана
о
обратно пропорционально средняя молярная масса
М
=Rµ/RO, где Rµ=8314 Дж/(моль·К) - молярная (универсальная)
ср
газовая постоянная.
247
Из формул, выражающих связь силы пороха и удельного им-
пульса тяги с их теплотой сгорания
f
=[3,389·q −
1
где q
V(ж)=СV·TV
25,0
9,76]·105 кгс·дм/К и Jуд=27,4q
)(жV
,
31,0
кгс·с/к,
)(жV
можно заключить также, что увеличение работоспособности
продуктов горения является функцией их изохорной теплоем-кости
СV.
Показатель адиабаты k=СР/СV (см. рис.2.6) существенного и
определенного влияния на эти величины не оказывает. Таким образом, задача увеличения работоспособности продуктов горения
порохов и РТТ практически может решаться за счет введения в
порох или РТТ веществ с большим содержанием элементов, даю-
щих соединения малой молярной массы М
и имеющих высокое
i
значение RO (табл.2.22). Из таблицы видно, что «тяжелые» продукты горения (SO2, CO2, HCl, H2S) имеют весьма низкую газо-вую
постоянную и малый удельный объем. По этой причине использование в порохе компонентов, содержащих S и Cl, следует повозможности избегать. Предпочтение при этом следует от-давать
веществам, содержащим большое количество водорода, т.е.
имеющим увеличенное отношение Н/С. Поэтому несомнен-ным
достоинством обладают пороха на основе азидных пластификаторов. При сохранении температуры горения на уровне
существующих штатных нитратцеллюлозных порохов азидные
пластификаторы позволяют получить пороха с силой, равной 1200-
1300 кДж/кг.
248
Таблица 2.22
Термодинамические параметры компонентов
продуктов горения порохов и РТТ
Продукт
горения
Н2 2 4157 11,200
Н2О 18 4620 1,250
СО, N2 28 306 0,802
H2S 34 249 0,651
HCl 36,5 232 0,615
CO2 44 193 0,510
SO2 64 132 0,346
Молярная масса
М·103,
кг/моль
Газовая
постоянная
RO, Дж/(кг·К)
Удельный
объем газов
Vуд, м3/кг
Для СРТТ подобный путь повышения энергетических характеристик заключается в синтезе новых окислителей, не содержащих хлор. Другим путем повышения энергетических характеристик порохов и РТТ является использование компонентов,
имеющих высокое значение энтальпии. Очевидность этого пути не
требует пояснений. Заменителем NH4ClO4 в СРТТ мог быть
гексонитроэтан, отвечающий необходимым требованиям по элементному составу и значению энтальпии (+306 кДж/кг). Однако он
не обладает достаточной физико-химической стабильностью, и по
этой причине практического применения не нашел.
Для наглядного представления о возможном многообразии
компонентов продуктов горения приведены характеристики условных СРТТ разного состава и продуктов их горения (табл.2.23).
249
Таблица 2.23
Физические и термодинамические характеристики условных
СРТТ разных составов и продуктов их горения
Условное топливо Характеристика
СРТТ-1 СРТТ-2 СРТТ-3 СРТТ-4
Состав СРТТ, % NH4Cl04-84
ПБАК-16*
Элементная
формула 1 кг
С
10,9H46,6O29,1
N
7,1Cl7,1S0,1
ρ, кг/м3 1650 1730 1740 1300
С, Дж/(кг К) 1209 1119 1179 1084
λ, Вт/(м К) 4,13 0,6 1,2 0,94
0
J
обр
u=φ
, кДж/кг
(P)
-2176 -2536 -1936 -2034
u=2,1x
(р/(98066)
βТ, 1/град 0,0025 0,0040 0,0036 0,0036
Состав
основных
продуктов горения,выраженный
в мольных долях
для газообразных
CO2-0, 0790
CO -0,1827
H2O-0,3530
H2 -0,1173
N2 -0,0859
HCl-0,1681
и в массовых долях для конденсированных
веществ
Тр, К 2767 2856 3140 3837
Mcp, кг/кмоль
ср, кДж/кг К
24,07 28,70 25,66 33,64
2,405 3,327 3,223 5,205
λ, Вт/(м К) 0,387 0,511 0,956 1,743
Jуд, Н с/кг 2280 2194 2449 2405
NH4Cl04-60
Нитразол40**
C
N
u=8,14 x
0,3
(р/98066)
CO2-0,2114
CO-0,0235
H2O-0,3774
H2 – 0,0053
N2 – 0,1252
HCl-0,1285
OH-0,0229
O – 0,0734
Cl – 0,0180
NO-0,0096
8,1H32,1O35,1
9,1Cl5,1
0,2
NH4Cl04-66
(CH2)n-15
Al – 19
C
10,7H43,9O22,5
N
5,6Cl5,6Al7,0
u=3,44 x
(р/98066)
CO2-0,0043
CO-0,2699
H2O-0,0550
H2 – 0,4403
N2 – 0,0720
Al2O3-0,3197
HCl-0,1081
H – 0,0250
AlCl2-0,0116
Ck-0,0041
AlCl-0,0070
0,3
NH4Cl04-35
Нитразол-45
Al -20
C
6,2H24,9O28,4
N
7,4Cl2,9Al7,4
u=6,49 x
(р/98066)
0,2
CO2-0,0365
CO-0,2763
H20-0,1808
H2 – 0,0649
N2 – 0,1222
Al2O3-0,3644
HCl-0,0717
OH-0,0433
H – 0,0649
Cl-0,0198
O – 0,0102
250
Окончание табл.2.23
Условное топливо Характеристика
СРТТ-5 СРТТ-6 СРТТ-7 СРТТ-8
Состав, % NH4Cl04-54
(CH2)n-15
Al2H6-34
Элементная
формула 1 кг
C
10,7H72,7O17,4
N
4,3Ck4,3Al11,3
NH4Cl04-53
Нитразол
-40* Ве -17
C
7,4H26,9O29,8
N
7,7Cl4,1Be16,9
NH4Cl04-30
Нитразол-50
Ве2Н6-20
C
10,3H60,9O28,5
N
7,5Cl2,6Be18,1
NH4CkO4-65
ПВХ*– 10,
В -25
C
3,2H4,8O22,1
N
5,5Cl7,1B23,1
ρ, кг/м3 1530 1720 1280 2020
С, Дж/(кг К) 1176 1377 1545 1071
0
J
обр
u=φ
, кДж/кг
(P)
-1685 -2149 -2112 -1788
u=3,9 x
(р/98066)
0,4
u=6,15 x
(р/98066)
0,23
u=9?81 x
(р/98066)
0,21
u=2,51 x
x (98066)
0,4
βТ, 1/град 0,0033 0,0033 0,0031
Состав основ-
ных продуктов
горения, выраженный в мольных долях для
газообразных
и в массовых
долях для
конденсированных веществ
CO-0,1939
H2 – 0,0792
N2 – 0,0099
Al2O3-0,2564
AlN-0,1245
AlCl-0,0374
AlCl2-0,0209
HCl-0,0066
HCN-0,0060
C2H2-0,0055
CO2-0,0165
CO-0,2252
H2O-0,1287
H2 – 0,1971
N2 – 0,1222
BeO-0,3947
BeCl-0,0317
HCl-0,0725 OH0,0418
Cl-0,0262
N – 0,1100
CO2-0,0011
CO-0,2135
H2O-0,0261
H2 – 0,5702
N2 – 0,0784
BeO-0,4238
BeCl-0,0216
HCl-0,0284
H – 0,0542
Н – 0,0111
H2 – 0,3656
HCl-0,1197
N2 – 0,0279
CO-0,1045
BO-0,0215
B2O2-0,2351
B2O3-0,0305
HBO2-0,0168
BCl2-0,0487
BN*-0,0946
O – 0,0128
Тр, К 2433 3989 3387 2963
Mcp, кг/кмоль
ср, кДж/кг К
20,03 32,41 20,95 33,12
6,279 6,388 5,127 5,207
λ, Вт/(м К) 0,615 2,139 1,639 0,565
Jуд, Н с/кг 2506 2522 2903 2265
*ПБАК - полибутадиенакриловая кислота С
**Нитрозол С
***
ПВХ - поливинилхлорид (СН2=СН-СL)
20/5Н29О36N9,9
- нитратцеллюлозная связка (НЦ:НГл=1:1).
68,1Н111,1О3,24S0,61
.
n
.
Содержащиеся в таблице данные свидетельствуют о больших
диапазонах разнообразия составов продуктов горения СРТТ, ха-
рактеристик их свойств и следовательно, работоспособности.
251
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]