ИХТ / КНИГИ / Цуцуран - Военно-технический анализ состояния и перспективы развития ракетных топлив - 1999

высоконаполненные (до 95%) композиционные материалы, в полимерной матрице которых равномерно распределены мелкодисперсные окислитель, металлическое (металлосодержащее) горючее и другие компоненты.

В качестве основных окислителей чаще всего используют твердые вещества, содержащие в достаточном количестве окислительные элементы (О, Сl, F), вступающие в процессе горения в окислительно-восстановительные реакции с горючими элементами топлива. Наиболее распространенные окислители - перхлораты, нитраты, органические нитросоединения и др.

Горючее-связующее является основным источником органического горючего и, кроме того, скрепляет между собой частицы наполнителя, образуя пластичную массу, способную формоваться в заряды с необходимыми массогабаритными характеристиками. В результате последующего структурирования (отверждения)

горючее-связующее наряду с энергетическими в значительной мере определяет технологические и механические свойства СТТ.

В соответствии с назначением в состав горючего-связующего входят полимерная основа, пластификаторы, компоненты системы отверждения (структурирования), поверхностно-активные вещества и другие добавки.

Металл в составе топлива по существу является энергетической добавкой. Повышение теплопроизводительности и удельного импульса СТТ обусловлено высоким тепловым эффектом окисления металла, а также уменьшением средней молекулярной массы газообразных продуктов сгорания в результате раскисления Н20 и СО2 при взаимодействии их с металлом. Некоторые СТТ специального назначения, например гидрореагирующие, могут содержать до 80% металла, который в этом случае является основным горючим.

Наряду с энергетическими характеристиками металлы и металлосодержащие вещества увеличивают плотность топлива, что также повышает эффективность применения его в РДТТ. Продукты сгорания металлов - оксиды, кроме того, являются стабилизаторами процесса горения. В качестве энергетических добавок могут использоваться, как и в НЦТТ, мощные взрывчатые вещества - гексоген, октоген и др. В составе СТТ они выполняют такие роль дополнительных, а в отдельных случаях - и основных окислителей. Специальные добавки в СТТ выполняют те же функции, что и в НЦТТ - обеспечивают требуемый уровень всего комплекса характеристик топлива в соответствии с назначением.

К эксплуатационным добавкам относят стабилизаторы физико-химических характеристик, стабилизаторы горения, модификаторы скорости горения топлива и др.

Технологические добавки улучшают технологические свойства промежуточных смесей (например, сыпучесть порошков) и топливной массы в целом. Характеристики отдельных компонентой и их роль в топливе будут рассмотрены далее. Принципиальный состав СТТ приведен в табл. 3.2.

91

Все многообразие СТТ принято классифицировать по химическому составу (классу химических соединений) основных компонентов: окислителя, горючегосвязующего и металлического горючего (см. рис. 3.1). В соответствии с

типом окислителя различают следующие классы СТТ: перхлоратные; нитратные; на основе органических нитросоединений, в том числе нитроаминов, фторорганических окислителей и смесевых окислителей.

Перхлоратные топлива при прочих равных условиях превосходят нитратные по энергомассовым характеристикам. При этом СТТ с перхлоратом аммония имеют более высокий удельный импульс, чем с перхлоратом калия. В то же время СТТ с перхлоратом калия имеют большую плотность и более термостойки.

Топлива на основе нитратов NH4NO3, NaNO3 и др. эффективны в тех случаях, когда необходимо иметь небольшую скорость горения, умеренную температуру продуктов сгорания и высокое удельное газообразование. Поэтому основная область применения нитратных топлив - газогенерирующие системы различного назначения. В последнее время в связи с необходимостью разработки экологически "чистых" СРТТ к нитратаммониевым составам проявляют повышенный интерес, поскольку в продуктах сгорания их, в отличие от перхлоратных топлив, отсутствуют хлорсодержащие соединения. Основные недостатки этих топлив - высокая гигроскопичность и нестабильность механических характеристик, обусловленная полиморфными превращениями нитрата аммония, которые сопровождаются изменением объема кристаллов в температурном диапазоне эксплуатации зарядов.

К нитратным гетерогенным системам относят и дымный порох, который по существу является смесевым твердым топливом на основе низкомолекулярного связующего. В его состав входят нитрат калия (75%) - окислитель, сера (10%) - связующее и древесный уголь (15%) - горючее.

По энергетическим характеристикам дымный порох уступает бездымным и СТТ на полимерной основе. Теплота горения его составляет 3000 кДж/кг, а удельный импульс - приблизительно 800 Н·с/кг. Применяют дымный порох преимущественно в качестве воспламенителя твердотопливных зарядов, в других пиротехнических средствах, а также как ружейный порох.

Из класса СТТ на основе нитросоединений практическое применение нашли составы с циклическими нитроаминами и прежде всего с октогеном. Топлива на основе октогена по сравнению с перхлоратными обеспечивают более высокое удельное газообразование, более низкие температуру и окислительный потенциал продуктов сгорания. При прочих равных условиях расчетный удельный импульс СТТ с октогеном несколько выше, чем с перхлоратом аммония, а плотность - ниже. Это обусловлено тем, что октоген по сравнению с ПХА имеет более высокую (положительную) энтальпию образования, более низкую плотность и содержит меньше окислительных элементов.

Отрицательный кислородный баланс октогена, в отличие от положительного для ПХА, не позволяет создать СТТ на основе "инертного" связующего с необходимым уровнем обеспеченности окислительными элементами, механических и других характеристик. Для устранения этого недостатка и реализации преимуществ октогена как окислителя в составе СТТ используют "активные" горючие-связующие, содержащие окислительные элементы, а также дополнительные окислители с повышенным содержанием кислорода, например ПХА. СТТ, в которых окислителем является один октоген, применяют преимущественно в газогенерирующих системах, а также в РДТТ с пониженным дымообразованием.

Нитроаминные ракетные твердые топлива содержат до 85% октогена, связующее на основе полибутадиенов с концевыми гидроксильными группами или полиуретана и стабилизаторы. При горении таких топлив "первичный дым" (частицы углерода) не образуется, а "вторичный дым", образующийся в присутствии паров воды, появляется лишь при температурах ниже -30°С. В высокоэнергетических СРТТ содержание октогена не превышает 50% всего окислителя, находящегося в топливе.

Из анализа отдельных классов СТТ на основе окислителей различной природы следует, что индивидуальные окислители обусловливают характерные особенности

92

что позволяет оптимизировать весь комплекс характеристик СТТ в соответствии с

основы. Химическая природа ГСВ проявляется посредством влияния его на основные характеристики топлива. По энергетическим свойствам все горючиесвязующие подразделяют на "активные" и "инертные". Такое разграничение в значительной степени является условным.

К "инертным" принято относить ГСВ, в которых окислительные элементы либо полностью отсутствуют (например, бутилкаучук, трансформаторное масло), либо их содержание значительно меньше, чем горючих элементов (например, полиуретановый каучук, диоктилсебацинат), а энтальпия образования отрицательная.

К "активным" относят ГСВ, обогащенные окислительными элементами и способные к самостоятельному горению в инертной среде, а также имеющие положительную энтальпию образования. Наиболее благоприятным является сочетание повышенного содержания окислительных элементов с положительной энтальпией образования, что на практике встречается крайне редко. Примером связующего, обогащенного окислительными элементами, может быть композиция нитратов целлюлозы с нитроглицерином. Примером высокоэнтальпийного связующего являются композиции на основе органических азидов, триазолов, тетразолов.

Топлива на основе "активного" ГСВ характеризуются более высоким удельным импульсом и плотностью. Применение "активных" связующих также сдвигает оптимум в содержании ГСВ в топливе в область повышенного количества, что

ее на механические и другие свойства топлив. В зависимости от величины межмолекулярного взаимодействия и соответственно температуры стеклования полимеры, составляющие основу ГСВ, подразделяют на эластомеры (каучуки) и пластики.

В соответствии с названием каучука принято классифицировать и топлива. Заряды из СТТ могут находиться в различных фазовых и физических состояниях в условиях эксплуатации. Так, заряды на основе эластомеров находятся в высокоэластичном состоянии, а заряды на основе пластиков - в стеклообразном. Высокий уровень деформационных характеристик СТТ на основе эластомеров позволяет изготавливать заряды, скрепленные с корпусом двигателя. И напротив - низкий уровень деформируемости СТТ в стеклообразном состоянии обусловливает применение, как правило, вкладных зарядов, которые могут быть менее эффективны, чем скрепленные.

Принципиально различным может быть и технологический способ производства зарядов из термопластичных и термореактивных СТТ. Термопластичные СТТ перерабатывают, как правило, экструзионным способом, позволяющим изготавливать заряды диаметром до I000 мм.

Классификация СТТ может быть проведена на основе химической природы металлического горючего. В соответствии с тем, что к настоящему времени в составах СТТ различного назначения используют преимущественно алюминий и магний, выделяют алюминий- и магнийсодержащие топлива. В отдельных случаях используют сплавы алюминия с магнием. За рубежом велись разработки и бериллийсодержащих СТТ, отличающихся более высоким удельным импульсом. Однако вследствие высокой токсичности оксидов бериллия и соответственно экологической опасности продуктов сгорания эти топлива практически не используют.

Наряду с Al и Mg-содержащими СТТ разработаны составы с бором и борсодержащими горючими. Борсодержащие топлива по термодинамическому удельному импульсу уступают алюминийсодержащим. Однако при оптимальной организации внутрикамерных процессов в РДТТ потери на двухфазность борсодержащих СТТ могут быть практически устранены, вследствие чего по практическому удельному импульсу эти топлива могут превосходить алюминийсодержащие.

Особенности применения металлов различной природы и СТТ на их основе рассмотрены далее.

Анализ современных составов ТРТ показывает, что строгой границы между гомогенными (нитроцеллюлозными) и гетерогенными (смесевыми) твердыми

93

топливами не существует. Классические нитроцеллюлозные пороха лишь условно можно считать гомогенными. Последующие их модификации и, прежде всего модификация баллиститных ТРТ в целях повышения энергетических и других характеристик превратили их в многофазные гетерогенные системы.

Вопросы к § 3.2

1.Обоснуйте назначение, принципиальный состав и основные характеристики пироксилиновых порохов.

2.Каковы принципиальный состав, назначение компонентов и энергомассовые

3.3 СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ТРТ

3.3.1 Особенности устройства и функционирования РДТТ

Ракетный двигатель твердого топлива в общем случае состоит из корпуса, заряда, газодинамического сопла, воспламенительного устройства, системы управления вектором тяги и системы выключения тяги (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Схема РДТТ:

1 - корпус; 2 - заряд; 3 - воспламенитель; 4 - система выключения тяги; 5 - система управления вектором тяги; 6 - газодинамическое сопло

Основная особенность РДТТ по сравнению с жидкостным двигателем состоит в том, что топливо находится в твердом агрегатном состоянии и весь запас его на ступени ракеты в виде одного или нескольких блоков, называемых зарядом, располагается в камере сгорания. Это обусловливает не только конструкционное отличие РЛТТ, но и определяет особенности его работы. Корпус двигателя является несущим, на нем монтируются элементы конструкции и узлы стыковки отсеков ракеты. Стенки корпуса и сопла обычно не имеют жидкостного охлаждения, само топливо в некоторых случаях предохраняет их от высокотемпературного нагрева.

Заряд твердого топлива является источником энергии и рабочего тела РДТТ. Размеры и форма заряда обеспечивают заданное время работы двигателя, величину расхода и характер изменения тяги по времени. При этом характеристики топлива и заряда существенным образом влияют на характеристики двигателя и ракеты.

94

воздействия высокотемпературных продуктов сгорания. Скрепление заряда с корпусом (полное или частичное) достигается в процессе отверждения топливной массы и склеивания ее с защитно-крепящим слоем, который наносится на внутреннюю поверхность камеры сгорания перед заполнением. Такой способ крепления заряда обеспечивает увеличение коэффициента заполнения корпуса топливом, уменьшение массы конструкции двигателя и повышение массового совершенства РДТТ (αДВ ~ 0,04…0,08).

Скрепленные заряды изготавливают из СТРТ с высокими деформационными характеристиками и применяют преимущественно в крупногабаритных РДТТ маршевых ступеней РСД и МКР, ускорителей мощных ракет-носителей, в том числе многократного использования.

Рассмотренные особенности устройства и функционирования РДТТ по сравнению с ЖРД обусловливают специальные требования к твердым топливам. Основными из них являются требования к баллистическим и механическим характеристикам, вытекающие из взаимосвязи их и характеристик РДТТ и ракеты.

3.3.2. Взаимосвязь баллистических характеристик топлива, заряда

иракеты

Вопределении химического ракетного топлива отмечено, что выделение энергии и газов в процессе его горения должно осуществляться с определенной скоростью. Оптимальные баллистические параметры двигателя и ракеты могут быть реализованы лишь при оптимальных баллистических характеристиках топлива и прежде всего скорости горения. Для количественной оценки скорости горения ТРТ используют скорость перемещения точек поверхности горения по нормали и определяют ее по зависимости

условий горения: давления в камере сгорания, температуры заряда, скорости

деформированного состояния заряда и других факторов.

Скорость горения топлива можно рассматривать как проектный параметр ракеты. В общем случае основные параметры ракеты - максимальная дальность, скорость в конце АУТ и продолжительность АУТ, зависят от удельного импульса, относительной массы топлива, а также начальной тяговооруженности ракеты, характеризующей ее ускорение:

учетом их влияния на начальную тяговооруженность, от которой зависит продолжительность АУТ (τК) и соответственна уровень потерь скорости ∆V от действия сил земного тяготения (∆Vg) и аэродинамического сопротивления (∆VХ). Можно показать, что ∆Vg, возникающие в результате затрат энергии на подъем ракеты, топлива и полезной нагрузки, составляют

где θa - угол между вектором скорости и местным горизонтом.

Следовательно, уменьшение гравитационных потерь может быть достигнуто увеличением тяговооруженности (тяги при m0 = const). Однако увеличение b0 приводит к увеличению потерь скорости ∆VХ, обусловленных сопротивлением среды

96

(рис. 3.4), а такие к росту перегрузок, ограничиваемых нормальной работой системы управления и механическими характеристиками твердого топлива.

Рис. 3.4. Зависимость относительных потерь скорости полета от начальной тяговооруженности ракеты

Таким образом, для обеспечения минимальных потерь скорости ракеты и

допустимого уровня перегрузок величина тяговооруженности должна быть оптимальной. Оптимальные значения b0 для различных ступеней ракет находятся в

лишь при определенном сочетании характеристик топлива и заряда, в частности при прочих равных условиях, скорости горения u и формой заряда (s – площадь

поверхности горения) и относительной его длиной lЗ (рис. 3.5). Относительная

длина заряда должна выбираться в первую очередь из условия обеспечения минимального значения коэффициента массового совершенства двигателя αДВ, что также требует оптимизации уровня скорости горения.

Рис. 3.5. Области распределения оптимальных значений относительной длины заряда и массовой скорости горения топлива

Таким образом, скорость горения топлива совместно с относительной длиной заряда можно рассматривать как проектный параметр, обеспечивающий оптимальные тяговооруженность, баллистические и массовые характеристики ракеты. При отклонения скорости горения заряда от оптимального значения неизбежны потери эффективности ракеты.

Если для различных ступеней МБР оптимальные значения b0 находятся в

пределах 2…4, а lЗ = 1…4, то оптимальный уровень скорости горения при заданном ρК составляет около 10 мм/с. Для РСЗО характерны более высокие значения lЗ = 10…15 и U = 10…20 мм/с (РК = 10 МПа). При необходимости

сокращения АУТ (пренебрегая потерями скорости ракеты) скорости горения топлив для двигателей МБР (и их тяговооруженность) должны быть более высокими (U = 20…40 мм/с).

Для ракет ПВО и ПРО критериальными являются дальность или время разгона противоракеты до заданной скорости, которые долины быть минимальными. Это

97

обеспечивается более высокими по сравнению с МБР значениями тяговооруженности и соответственно на порядок более высокими скоростями горения топлива (100… 200 мм/с). Так, например, увеличение скорости горения с ~10 мм/с до ~100 мм/с приводит к сокращению времени разгона противоракеты с 20 до 2 с.

Таким образом, ТРТ должны обладать не только высоким уровнем энергомассовых характеристик, но и вполне, определенной скоростью горения. Только в этом случае возможно создание оптимальных вариантов ракет, обеспечивающих при заданных значениях дальности полета и массы полезной нагрузки минимальную стартовую массу.

Эффективность применения ТРТ зависит не только от уровня скорости горения, но и от параметров, характеризующих ее чувствительность к внешним воздействующим факторам, прежде всего к давлению в камере сгорания и температуре заряда. Из тепловой теории горения ТРТ следует, что с повышением температуры заряда скорость горения возрастает. На практике влияние температуры при р = const оценивают эмпирическими зависимостями вида

u

βt = u T 100, %

Для оценки температурной чувствительности скорости горения баллиститных порохов и БТРТ принято использовать преимущественно термохимическую константу Т0. Уровень Т0 промышленных составов находится в пределах 250…650°С.

Для смесевых ТРТ используют, как правило, кt или βt, величина которого составляет βt = 0,1…0,3 %/град. Можно показать, что между Т0 и кt существует

простая зависимость: кt = 1 .

T0

Зависимость скорости горения топлива от давления в камере сгорания называют законом горения. В широком диапазоне давлений она имеет немонотонный характер и, как правило, с увеличением ρК возрастает. Обработка результатов экспериментальных данных дает различные виды аппроксимирующих зависимостей u(p) в разных интервалах давлений. Универсальным обобщением этой зависимости

более высоких давлений, характерных для стволов артиллерийских орудий, предпочтительна линейная зависимость u = a + bp .

На практике чувствительность скорости горения к изменению давления независимо от вида аппроксимирующей функции оценивают относительной величиной

98

давления.

На установившемся режиме давление в камере сгорания выражается формулой

где А - коэффициент истечения.

Следовательно, отклонения давления связаны с отклонениями характеристик заряда и двигателя зависимостью

Аналогично вариации других внутрибаллистических характеристик РДТТ (тяги, расхода) также пропорциональны коэффициенту 1/(1-ν), называемому коэффициентом усиления. Чем больше величина ν, тем больше изменяется давление

1/(1-ν)≈1,1, а при ν=0,9 - 1/(1-ν)≈10 Следовательно, при изменении одного из параметров топлива или двигателя

на 1% изменение давления в камере двигателя (тяги, расхода) будет в 9 раз больше, если топлива с ν=0,1 заменить на топлива с ν=0,9. Разбросы давления приводят либо к увеличению пассивной массы двигателя, либо к уменьшению номинального давления. Разбросы расхода сказываются главным образом на разбросах тяги и, следовательно, влияют на точность поражения цели и выбор программы тангажа. Расчеты показывают, что при уменьшении ν на 0,1 (v<1) дальность полета трехступенчатой ракеты может увеличиться до 70 км, что равноценно уменьшению пассивной массы на 7 кг.

Из уравнения Бори следует, что лишь при ν<l возможна устойчивость рабочего процесса нерегулируемых РДТТ. Это наглядно можно показать графически (рис. 3.6). Случайные изменения ∆р при ν<1 не вызывают изменения рабочего режима - давление возвращается к равновесному значению. При ν>1 повышение давления вызывает дальнейший рост рК, а возмущение (-∆pK) - падение рK, т.е. режим неустойчивый.

Величина параметра ν влияет такие на чувствительность давления в камере к

Следовательно, изменение равновесного давления при изменении начальной температуры заряда определяется не только температурным градиентом давления, но и показателем ν в законе скорости горения. Для получения стабильных характеристик РДТТ, уменьшения их разброса в широком температурном диапазоне необходима низкая чувствительность скорости горения топлива к давлению и температуре.

99