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

Октогенсодержащие составы с активным ГСВ характеризуются повышенной зависимостью скорости горения от давления и температуры (тип 3). Замена части ПХА на АДN также приводит к увеличению скорости горения (тип 2).

3.5.3. Механические характеристики

и деформации, взаимосвязанные друг с другом. Взаимосвязь, между напряжениями и деформациями определяется природой материала. Когда говорят о механических свойствах любого материала, то подразумевают именно характер взаимосвязи между напряжениями и деформациями. Существует достаточно широкий набор зависимостей как функционального вида, так и графических, описывающих эту связь.

Наиболее полно механические свойства ТРТ характеризуются диаграммами растяжения, предельными прочностными и деформационными характеристиками.

Диаграмма растяжения характеризует связь между напряжением и деформацией образца ТРТ при одноосном растяжении с постоянной скоростью деформирования. Вид типичных диаграмм растяжения приведен на рис.3.57. При испытании на одноосное растяжение образцов ТРТ получают другие важные механические

характеристики: предел прочности σP , предел деформативности εP , модуль упругости E . Способ получения σP и εP ясен из рис.3.57.

Рис. 3.57. Виды диаграмм растяжения и форма образца для испытания

Некоторая неопределенность имеется в нахождении модуля упругости. В принципе модуль уплести равен тангенсу угла наклона касательной к диаграмме растяжения в начале координат. Однако выполнить такие построения сложно. Поэтому на практике определяют так называемые секущие модули упругости: двух-

идесятипроцентные (E2% ,E10% ). Модули упругости определяют как отношение

величины напряжения в образце, соответствующего достижения 2 или 10% деформации:

Механические характеристики определяются составом и строением ТРТ. Механические характеристики СТТ очень сильно зависят от условий

нагружения: температуры, скорости нагружения, внешнего давления. Знание этих особенностей важно, поскольку в процессе эксплуатации РДТТ в заряде возникают нагрузки самого широкого спектра. Так, например, основной вид нагрузки при вертикальном или горизонтальном хранении РДТТ - статическая гравитационная нагрузка. При транспортировке РДТТ дополнительно накладываются нестационарные нагрузки динамического характера. При запуске РДТТ в заряде за короткое время

173

(не превышающее 0,1 с) под действием внутреннего давления возникают самые высокие нагрузки. При этом действие внутреннего давления величиной 6 МПа способствует увеличению деформационных характеристик на 30…100%, а прочностных характеристик - в несколько раз. Явление это наблюдается практически для всех СТТ. Учет этого явления необходим особенно, если речь

напряжения. Основные механические свойства СТТ приведены в табл.3.14. На рис.

Механические характеристики БТТ также зависят от температуры и скорости нагружения. Зависимость от внешнего давления (в диапазоне давлений, характерных для РДТТ) для них не проявляется. Основные механические свойства БТТ приведены в табл.3.15, а на рис.3.62 и 3.63 показаны графики, характеризующие зависимость прочностных и деформационных свойств БТТ от температуры. Поскольку из БТТ (и из некоторых СТТ) изготавливают вкладные заряды, то особое значение для этих топлив имеют такие характеристики механических свойств, которые характеризуют поведение материалов в условиях действий сжимающих напряжений и высокоскоростных ударных нагрузок: предельное (разрушающее) напряжение и деформация при сжатии, удельная ударная вязкость (см. п.3.3.3).

174

Рис. 3.60. Зависимость прочностных и деформационных характеристик СТТ, содержащих металл, от скорости деформирования

Рис. 3.61. Зависимость прочностных и деформационных характеристик СТТ, содержащих металл и МВВ, от скорости деформирования

Рис. 3.62. Зависимость прочности БТТ от температуры

176

Как известно, все виды деформации полимеров (а следовательно, и твердых топлив) связаны с изменениями молекулярных композиций и межмолекулярных сил взаимодействия:

обратимое растяжение химических связей и деформация валентных углов определяет упругость;

обратимое изменение конформаций макромолекул обусловливает высокоэластичность и вынужденную эластичность;

необратимое скольжение макромолекул относительно друг друга приводит к вязкому течению и придает этим материалам свойства вязких жидкостей.

Поэтому ТРТ по своим механическим свойствам занимают промежуточное положение между идеально упругими материалами и вязками жидкостями; возникающие в них напряжения зависят как от уровня деформаций, так и от скоростей деформирования, температуры и т.д.:

σ = σ (ε,ε&,T,...)

Таким образом, твердые ракетные топлива могут быть отнесены к типичным вязкоупругим материалам.

Вязкоупругим материалам присущи такие наблюдаемые на практике свойства, как ползучесть и релаксация.

Ползучестью называется процесс увеличения во времени линейных размеров образца при действии постоянного напряжения. Если образец ТРТ достаточно быстро (в пределе - мгновенно) нагрузить некоторым напряжением σ0 = const, то

сначала появится "мгновенная" деформация ε0 , а затем начнется процесс

ползучести, т.е. рост деформации ε (t) во времени. Ползучесть ТРТ оценивается условным модулем ползучести

EП (t)= εσ(0),

t

или обратной величиной - податливостью, определяемой как

J (t)= ε (t)

σ0

На рис.3.64 приведены типичные графики ползучести смесевых и баллиститных твердых топлив. Баллиститные твердые топлива обладают более низкими свойствами ползучести, вкладные заряды из них способны выдерживать длительное воздействие нагрузок в условиях вертикального хранения и действие значительных перегрузок при старте и полете ракеты (см. рис.3.9).

Рис. 3.64. Ползучесть СТТ и БТТ

Другим проявлением свойств ТРТ является релаксация в них напряжений. Релаксацией называется процесс возвращения параметров возмущенной системы в исходное или новое равновесное состояние. Если при этом состояние системы характеризуют напряжением, то говорят о релаксации напряжения.

178

Если образец ТРТ достаточно быстро (в пределе - мгновенно) растянуть до деформации ε0 и затем сохранить величину деформации неизменной, то в образце

с течением времени будет наблюдаться уменьшение напряжения σ (t) (рис.3.65).

Релаксация напряжения оценивается релаксационным модулем, определяемым по зависимости

EP (t)= σε(t)

0

Рис. 3.65. Релаксация ТРТ Релаксация напряжений и ползучесть - это два тесно взаимосвязанных

свойства ТРТ как вязкоупругих материалов. Как и свойство ползучести, релаксация напряжений в большей степени характерна для СТТ. Вследствие этого при действии внутреннего давления в камере РДТТ в заряде СТТ возникает напряженное состояние (см. рис.3.10,в), которое через некоторое время приходит к состоянию всестороннего сжатия (см. рис.3.10,е).

Таким образом, необходимость точных представлений о характере связи между напряжениями и деформациями приводит к необходимости иметь достаточно широкий набор зависимостей как функционального вида, так и в виде графиков, описывающих эту связь. Весь комплекс такого рода зависимостей во всем их многообразии характеризует механические свойства ТРТ. Следует отметить, что вся логика развития твердых ракетных топлив требует уточнения существующих и разработки новых показателей, характеризующих механические свойства ТРТ.

3.5.4. Взрывчатые характеристики

Твердые ракетные топлива и пороха - один из классов взрывчатых материалов, служебным видом взрывчатых превращений (ВП) которых является послойное горение. Однако в определенных условиях они способны и к другим видам ВП, в том числе и детонации. Поэтому взрывчатые свойства ТРТ рассматривают преимущественно с позиций взрывоопасности топлив, а также изделий, снаряженных ими.

Внекоторых случаях отдельные показатели взрывоопасности используют для характеристики других свойств топлив. Так, чувствительность к тепловому импульсу, излучению оптического диапазона характеризует воспламеняемость. Детонационно-способные ТРТ маршевых ступеней, примыкающих к головной части ракеты, могут быть использованы для усиления могущества головной части с обычным снаряжением.

Всоответствии с понятием взрывоопасности, ее аспектами совокупность показателей взрывоопасности ТРТ подразделяют на три группы. К первой группе относятся показатели, характеризующие чувствительность к начальным импульсам (низкоскоростному удару, трению, ударному сдвигу, тепловому, световому и

179

электрическому импульсам), определяющим возможность возбуждения взрывчатого превращения.

Вторая группа показателей характеризует возможность возбуждения ВП при воздействии мощных импульсов (ударная волна, высокоскоростной удар осколка или пули, кумулятивная струя, лазерный импульс), удара при падении с больших высот и др.

Третья группа показателей отражает способность ТРТ к распространению тех

В условиях производства и хранения зарядов ТРТ взрывоопасность определяется в основном первой группой показателей. В условиях эксплуатации ракет и боеприпасов - в основном второй группой. Третья группа показателей характеризует степень опасности аварийных последствий на любом этапе жизненного цикла твердотопливных ракет.

Взрывчатые характеристики ТРТ, отражающие взрывоопасность, являются общими для других классов взрывчатых материалов, в том числе ВВ. Однако их уровень для ТРТ и ВВ может быть существенно различным. Это объясняется прежде всего различным назначением классов взрывчатых материалов. Для ВВ взрывчатые характеристики, такие, как критический диаметр, скорость детонации и др., определяют их эффективность, являются основными, служебными. Для ТРТ эти характеристики не являются служебными, они важны лишь с точки зрения взрывобезопасности топлив. Так, например, многие смесевые ТРТ по сравнению с ВВ обладают меньшей чувствительностью к механическим и тепловым воздействиям, меньшей скоростью детонации и детонационной способностью, а также более высокой стойкостью к инициированию детонации.

Характерным отличием ТРТ, особенно смесевого типа, от ВВ является широкий спектр взрывчатых превращений, вид которых определяется уровнем внешнего воздействия, условиями инициирования. Так, при высокоскоростном ударном воздействии (пулей, осколком, кумулятивной струей) в зарядах бризантных ВВ либо не возбуждается ВП, либо происходит в форме детонации, а горение возбуждается редко. При тех же условиях в зависимости от скорости и размеров быстролетящих тел в ТРТ могут реализоваться все формы и режимы ВП, от послойного горения до нормальной детонации.

Чувствительность к начальным импульсам

Из этой группы показателей наиболее важной с точки зрения оценки взрывоопасности ТРТ является чувствительность к механическим и тепловым воздействиям.

Под чувствительностью к механическим воздействиям (МВ) понимают способность топлив претерпевать взрывчатые превращения при механическом нагружении (низкоскоростной удар, трение и др.). Объективные данные по чувствительности необходимы для решения важных практических задач, связанных с формулированием требований к технологическому процессу, обеспечению безопасного производства и эксплуатации зарядов ТРТ и твердотопливных ракет. Уровень чувствительности зависит от вида воздействия, его интенсивности, состава топлива (прежде всего чувствительности к MB основных компонентов), механических свойств ТРТ и условий, при которых возникает механическое воздействие.

Согласно общепринятой гипотезе в результате удара во взрывчатом материале в локальных очагах ("горячих точках") происходит разогрев, распространяющийся на весь объем заряда. Основными причинами возникновения "горячих точек" являются:

адиабатический разогрев газовых включений, капсюлированных в топливе; трение частиц повышенной твердости о соприкасающуюся дисперсионную среду

или частицы компонентов топлив; вязкий разогрев при быстром течении (для жидких и пластичных композиций);

схлопывание кавитационных микрополостей с превращением жидкостей в мелкие капли, а твердых частиц - в тонкую пыль.

Зависимость чувствительности ТРТ от различных факторов обусловлена влиянием их на характеристики формирующегося очага разогрева и его распространение на последующие слои топлива. Начальный очаг разогрева при ударе возникает из-за хрупкого разрушения заряда (из баллиститов и

180