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

высокопрочных СТТ), вязкого течения ГСВ между кристаллами наполнителя (СТТ с ПХА без МВВ), а также вследствие совместного действия этик факторов (высоконаполненные СТТ, содержащие МВВ). Показателем чувствительности ТРТ к низкоскоростному удару согласно стандартной методике является максимальная

высота падения груза (H0MAX ) 10 или 2 кг (нижний предел) на образец топлива,

при которой получаются все отказы или не более одного взрыва из 25 определений. Дополнительной характеристикой является частость взрыва, выраженная в процентах.

Баллиститные ТРТ характеризуются H0MAX при грузе 10 кг в пределах 50…150

мм. Верхний предел H0MAX = 100…150 мм характерен для составов с пониженным

содержанием основного пластификатора - нитроглицерина, без металлического горючего и МВВ (энергетических добавок). С увеличением содержания нитроглицерина, введением энергетических добавок и катализаторов горения

с высокой скоростью горения, содержащие ультрадисперсные компоненты (ПХА, алюминий) и значительное количество катализаторов горения, а также МВВ более

30%: H0MAX = 25…40 мм. Катализаторы могут снижать температуру начала

разложения компонентов СТТ, увеличивать скорость тепловыделения в очаге, что и обусловливает повышение чувствительности топлив. При наличии в составе ТРТ бризантных ВВ (гексоген, октоген) очаги возбуждения ВП образуются на их кристаллах. Если содержание ВВ составляет ≥30%, то чувствительность ТРТ приближается к чувствительности ВВ и достигает 80%.

Чувствительность ТРТ к трению определяют на специальных приборах, в которых трение создают неударным или ударным сдвигом. Показатель чувствительности - нижний предел максимального давления поджатия образца

чувствительность к удару. Так, введение в топливо металлического горючего и МВВ повышает ее. Наибольшее влияние оказывает гидрид алюминия, понижающий

PMAX0 СТТ при ударном сдвиге до 40…140 МПа.

Чувствительность к тепловому импульсу, как и к механическому воздействию, важна с точки зрения прогнозирования взрывоопасности производства и эксплуатации зарядов ТРТ. Из стационарной теории самовоспламенения известно, что для воспламенения ВМ при нагреве необходимо достижение некоторой критической температуры. Однако эта температура не может служить показателем чувствительности, так как не дает ответа на важный для практики вопрос, через какое время после начала нагрева произойдет воспламенение. Согласно нестационарной теории теплового самовоспламенения и экспериментальным данным период задержки воспламенения описывается зависимостью

Е

τЗ = ВеRT

где В - предэкспоненциальный множитель; Е - энергия активации;

R - универсальная газовая постоянная; Т - температура.

Таким образом, для конкретного состава топлива, условий эксперимента (Е = const, B = const) определенной температуре воспламенения (T) соответствует определенный период задержки (τЗ), По стандартной методике для фиксированной массы ВМ определяют температуру вспышки при 5-минутной и 5-секундной

181

задержках. В экспериментах измеряют зависимость τЗ(Т) – 8…10 опытов в широком диапазоне температур (рис.3.66). По этим данным строят график в координатах (ln τЗ, 1/T), по которому определяют кинетические параметры В и E. Температуру воспламенения при заданном τЗ, определяют расчетным путем по зависимости

баллиститных ТРТ составляют: Е = 100…170 кДж/моль; В = 10-l0…10-12c; TS’ = 180…220°C; TS’’ = 230…270°C. Для СТТ на основе ПХА и инертных ГСВ E = 50…150

кДж/моль; B = 10-4…10-9с; TS’ = 200…300°C; TS’’ = 250…350°C. Как правило, чувствительность топлив к тепловому импульсу с введением катализаторов, МВВ,

"активных" пластификаторов в СТТ возрастает.

Рис.3.66. Зависимость периода задержки воспламенения от температуры: а) принципиальная; б) экспериментальная для СТТ:

1 - типового тиокольного; 2 - тиокольного с ингибитором;

3 - типового полибутадиенового с октогеном

Характеристикой взрывоопасности ТРТ, прежде всего в условиях производства зарядов, является чувствительность к электрическому разряду. Как баллиститные, так и смесевые составы имеют достаточно высокое удельное объемное сопротивление (107…1010 Ом·м), что обусловливает их возможность накапливать статическое электричество. При взаимодействии топливных масс и зарядов с технологическими аппаратами возможен электрический разряд, способный при определенном уровне энергии возбудить взрывчатое превращение. Показателем чувствительности является минимальная энергия зажигания (ЕMIN), воздействующая согласно стандартной методике на топливо при разряде конденсатора.

В зависимости от уровня EMIN ТРТ подразделяют на четыре класса чувствительности, Дж:

1)менее 0,0001 - очень высокая;

2)от 0,0001 до 0,005 - высокая;

3)от 0,005 до 0,1 - средняя;

4)более 0,1 - низкая.

Наиболее высокой чувствительностью обладают быстрогорящие СТРТ с БГВВ (EMIN ≈ 0,001 Дж) и ультрадисперсным ПХА (EMIN = 0,6…0,7 Дж). Топлива других типовых классов имеют низкую чувствительность. Наименее чувствительны составы

Чувствительность к воздействию мощных импульсов

При непосредственном воздействии ударной волны (УВ) по заряду ТРТ в нем возникает вторичная УВ, распространяющаяся по объему заряда. Ударная волна может разрушить заряд или инициировать в нем ВП: горение, детонацию или

182

промежуточный вид ВП. Детонация может возбуждаться в заряде, диаметр которого больше критического (dKР). При d > dКР условие возбуждения детонации состоит в том, что УВ, созданная в заряде, должна иметь амплитуду давления, превышающую некоторое критическое значение (РКР), характерное для данного топлива. Уровень РКР определяет восприимчивость топлива к действию УВ и является первым условием возбуждения детонации. Величина РКР зависит от состава топлива, структуры заряда, формы профиля УВ, длительности ее действия, а также размеров и формы поверхности нагружения ударной волной. Связь PКР с размерами зоны нагружения определяет второе условие возбуждения детонации. При большей поверхности нагружения необходимо меньшее РКР.

Экспериментально установлено, что в сопоставимых условиях для БТРТ РКР = 4…10 ГПа (диаметр очага нагружения dО.Н. = 20…60 мм). Нижнее значение РКР характерно для металлсодержащих составов. В зарядах СТРТ без МВВ детонация не

возбуждается до dО.Н. = 2000 мм. Для составов с МВВ в сопоставимых условиях РКР = 1,5…5,5 ГПа и зависит от содержания МВВ (рис. 3.67).

Рис.3.67. Обобщенная зависимость критического давления возбуждения детонации от содержания МВВ в топливе

Ударные волны, способные инициировать ВП в зарядах ТРТ, могут быть созданы ударом быстролетящих тел (пуль, осколков). Возбуждение детонации при этой осуществляется по ударно-волновому механизму, а чувствительность топлива оценивают по РКР или скорости удара (uКР). Горение возбуждается по механизму зажигания топлива поражающим элементом в процессе проникания его в топливо. Чувствительность топлива в этом случае оценивают критической скоростью удара, периодом задержки воспламенения, минимальной толщиной топлива, на которой возбуждается горение.

Экспериментально установлено, что критическая скорость удара пулей АКМ, возбуждающая процесс горения заряда, составляет 180…400 м/с для баллиститов и 300…600 м/с - для СТТ. В общем случае чувствительность зависит от содержания ВВ и механических свойств топлива: с увеличением уровня этих характеристик чувствительность повышается.

Время задержки воспламенения заряда (τВ) СТРТ при ударе стальным осколком d = 10 мм, m = 6 г, u = 850…860 м/с составляет по порядку величины 10-4…10-5 с. Влияние состава топлива на τВ аналогично влиянию его на uКР.

Третья группа показателей взрывоопасности ТРТ - детонационные характеристики, необходимые для прогнозирования и оценки степени максимальной опасности аварийных ситуаций, возможных в условиях эксплуатации и боевого применения твердотопливных ракетных комплексов.

Основными детонационными характеристиками являются: детонационная способность; скорость детонации; тротиловый эквивалент и др.

Под детонационной способностью ТРТ понимают их способность под воздействием внешних факторов к распространению нормальной детонации по всему объему заряда. Уровень детонационной способности оценивают величиной минимального диаметра заряда (критического диаметра - dКР), в котором еще возможно прохождение стационарной детонационной волны. Чем меньшее dКР заряда, тем выше детонационная способность топлива.

183

Величина dКР заряда зависит от состава и структуры топлива. Смесевые ТРТ на основе ПХА, инертных ГСВ и алюминия имеют dКР, измеряющийся метрами. Заряды таких топлив в габаритах современных РДТТ можно считать недетонационноспособными. Однако при изменении структуры, например повышении пористости, dKР может значительно уменьшиться. Так, например, литые заряды ВВ по сравнению с прессованными, а также баллиститы без добавок твердых компонентов менее детонационно-способны, чем с добавками.

Существенную роль в повышении детонационной способности ТРТ играет содержание бризантных МВВ: с повышением его до ~ 20% dKР резко уменьшается (рис. 3.68). При небольшом содержании МВВ ведущая роль в детонационном процессе принадлежит разложению окислителя в СТТ. По мере увеличения содержания МВБ эта роль переходит к нему, и при содержании более 20% параметры детонации топлива становятся близки к параметрам самого МВБ. Детонационная способность СТТ повышается с повышением дисперсности МВБ и зависит от формы и структуры его кристаллов. Так, топливо с октогеном, имеющим определенную форму и размер частиц, менее детонационно-способно, чем топливо с частицами октогена неправильной формы и структурными дефектами.

Критические диаметры типовых составов ТРТ приведены в табл. 3.16. Для сравнения приведены данные для отдельных компонентов топлив.

Скорость детонации (D) - важнейшая детонационная характеристика ТРТ, определяющая интенсивность выделения энергии и время формирования поля взрыва. Она, как и детонационная способность, зависит от состава и структуры топлива, диаметра заряда, наличия оболочки и др. Состав топлива оказывает влияние прежде всего своей энергетической характеристикой - теплотой взрыва. Это влияние качественно соответствует зависимости

Рис. 3.68. Обобщенная зависимость критического диаметра детонации от содержания МВВ в топливе

Для типовых составов с МВВ скорость детонации несколько меньше, чем самих МВВ, а теплота взрыва - больше (см. табл. 3.16).

Тротиловый эквивалент (α) характеризует сравнительную мощность механического воздействия ударной волны, возникшей в среде при детонации заряда ТРТ. Стандартный метод определения α предусматривает сравнение действия взрыва топлива со взрывом тринитротолуола или другого ВВ, имеющего надежное значение тротилового эквивалента. В идеальном случае истинное значение эквивалента рассчитывают следующим образом:

TPT

α = QV

QVTHT

Сравнительные данные по тротиловым эквивалентам приведены в табл. 3.16.

184

Как следует из данных табл. 3.16, ТРТ обладают достаточно высокими детонационными характеристиками. Они уступают бризантным ВВ по детонационной способности (dКР) и немного - по скорости детонации, а по теплоте взрыва и тротиловому эквиваленту - превосходят, за исключением составов без МВВ.

Вопросы к § 3.5

1.Каков уровень энергомассовых характеристик СТРТ? Объясните влияние на них свойств основных компонентов.

2.Каков уровень энергомассовых характеристик БТРТ? Объясните влияние на них свойств основных компонентов.

3.Сформулируйте основные направления совершенствования энергомассовых характеристик ТРТ.

4.На основе представлений о механизме горения объясните влияние свойств основных компонентов на скорость горения СТТ.

5.Объясните влияние внешних факторов на баллистические характеристики СТТ.

6.Назовите основные способы регулирования скорости горения ТРТ и их возможности.

7.Назовите основные характеристики механических свойств ТРТ.

8.Каков уровень механических характеристик ТРТ различных классов?

9.Охарактеризуйте принцип температурно-временной аналогии механических свойств ТРТ.

10.Каким образом влияют температура и скорость деформирования на прочностные свойства ТРТ?

11.Назовите основные группы показателей взрывоопасности ТРТ и области их использования.

12.Какие свойства топлив влияют на их чувствительность к механическим и тепловым воздействиям?

13.Назовите основные детонационные характеристики, охарактеризуйте их зависимость от состава, структуры топлива и параметров заряда.

ГЛАВА 4

БАЛЛИСТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ И ЗАРЯДЫ ТРТ

185

4.1. ПОНЯТИЕ БАЛЛИСТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ, ЕЕ КРИТЕРИИ И ПОКАЗАТЕЛИ

Эффективность технической системы (в том числе ракетной) - наиболее общее интегральное свойство, определяющее степень пригодности ее для использования по назначению и характеризующее соответствие достигнутого в процессе применения результата ожидаемому, требуемому.

В соответствии с общим определением эффективность ракетного топлива (заряда) как элемента ракетного комплекса есть обобщенное свойство топлива соответствовать своему назначению в качестве источника энергии и рабочего тела ракетного двигателя, обеспечивать требуемый уровень летно-технических характеристик ракеты и соответственно эффективность ее боевого применения.

Эффективность РТ как наиболее общее свойство, характеризующее степень пригодности топлива для использования в ракете, определяется (обусловливается) всей совокупностью его свойств (комплексом характеристик) в условиях применения ракеты.

В практике оценки эффективности РТ широко используют термин "баллистическая эффективность" (БЭ). Сущность этого понятия вытекает из следующих соображений. В общем комплексе летно-технических характеристик ракеты, определяющих эффективность ее боевого применения, выделяют группу характеристик, непосредственно влияющих на динамику полета ракеты: диапазон дальности полета (LMAX и LMIN) или соответствующую скорость полета в конце АУТ, запас характеристической скорости, относительную массу полезной нагрузки, размеры зоны разведения боевых блоков. Эти характеристики ракеты принято называть баллистическими.

Как было показано ранее, наибольшее влияние на внутрибаллистические и энергомассовые характеристики двигателя и, как следствие, на баллистические характеристики ракеты оказывают энергомассовые и баллистические - для РТ, а также дополнительно-механические характеристики твердого топлива.

Удельный импульс и плотность топлива в соответствии с формулой Циолковского непосредственно влияют на скорость ракеты в конце АУТ и соответственно на дальность полета, а также на массовые характеристики. Существенное влияние на баллистические характеристики ракеты оказывают скорость горения топлива и ее чувствительность к давлению в камере двигателя и начальной температуре заряда.

На массу топливного заряда, прочноскрепленного с корпусом, а также коэффициент массового совершенства РДТТ значительное влияние оказывают механические характеристики ТРТ. Оценочные расчеты показывают, что в отдельных случаях снижение относительной деформации топлива по абсолютной величине на 10% приводит к уменьшению массы заряда на 4…5%. Это, в свою очередь, снижает дальность полета или массу полезной нагрузки ракеты.

Влияние других характеристик топлива на характеристики ракеты менее существенно. Таким образом, под баллистической эффективностью ТРТ понимают обобщенное свойство топлива, обусловленное преимущественно совокупностью баллистических, энергомассовых и механических характеристик и определяющее его возможность обеспечить требуемый уровень соответствующих характеристик РДТТ, баллистических характеристик ракеты и, как следствие, эффективность ее боевого применения.

Эффективность, как и всякое свойство, обладает интенсивностью своего проявления. Меру интенсивности проявления эффективности называют показателем эффективности. Показатель эффективности - мера степени соответствия реального результата операции требуемому или мера достижения цели операции. Следовательно, показатель баллистической эффективности РТ - мера степени соответствия уровня реальных характеристик топлива (баллистических, энергомассовых, механических) требуемому уровню в соответствии с назначением

иусловиями боевого применения ракеты.

Впрактике исследования эффективности наряду с проблемой оценки эффективности выделяют проблему выбора рационального способа действий или способа использования активных средств (в том числе технических систем), называемого стратегией. Проблема выбора стратегии (рационального поведения) предполагает установление ведущего принципа поведения и формирование на его

основе критерия эффективности, т.е. решающего правила, позволяющего

186

сопоставлять стратегии и осуществлять направленный выбор стратегий из множества допустимых.

Среди возможных концепций поведения системы для установления ведущего принципа и формирования критерия эффективности применительно к РТ выделяют концепции пригодности и оптимизации.

Согласно концепций пригодности в общем случае рациональна любая стратегия u, при которой выбранный показатель эффективности W(u) принимает значение не

Применительно к ракетному топливу в случае если показателем эффективности его применения является дальность полета ракеты L, то в рамках концепции

наибольшую баллистическую эффективность, является топливо, характеристики которого обеспечивают максимальную дальность полета ракеты.

4.2. РАСЧЕТНЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ БАЛЛИСТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Для оценки БЭ РТ на различных этапах разработки создан и используется ряд методов. В основе всех их лежит определение результата воздействия на баллистические характеристики ракеты замены одного топлива на другое при заданных условиях проектирования или модернизации ракеты.

При проектировании ракет принципиально возможна постановка следующих основных задач:

определение требуемых характеристик топлива, обеспечивающих максимальную эффективность разрабатываемой ракеты;

выбор оптимальных композиций из имеющихся компонентов топлив; использование топлив из числа уже разработанных ранее составов с

заданными характеристиками.

В практике проектирования ракет выбор топлива, как правило, сводится к решению второй или третьей задачи. В начале разработки в связи с отсутствием необходимых данных рассматривается случай использования топлив с известными характеристиками, выбор которых на этой стадии носит случайный характер. После определения в первом приближении области возможных значений основных параметров разрабатываемой ракеты выбор топлива может быть осуществлен более обоснованно с учетом конкретных особенностей ракеты или отдельной ступени.

В практике разработки топлив и их выбора при проектировании ракет чаще других применяют метод частных производных дальности полета ракеты по отдельным характеристикам топлива. В качестве показателя эффективности используют приращение дальности полета ракеты, вызываемое заменой РТ или заряда эталонного топлива на РТ или заряд такой же формы и размеров из исследуемого топлива. Расчет показателя эффективности осуществляют по зависимости

∂rj

топлива;

rj - разность значений rj-й характеристики исследуемого и эталонного топлива;

187

188

замене на всех 3 ступенях ракеты эталонного топлива на топливо варианта 1 приращение дальности полета больше, чем при замене на топливо варианта 2. В то же время на 1 ступени эффективнее первое, а на III - второе топливо. На II ступени оба топлива по баллистической эффективности примерно равноценны в тех условиях, при которых проводилась их оценка.

В качестве показателя БЭ РТ используют также идеальную конечную скорость ракеты, зависящую от удельного импульса и плотности топлива:

При этом обычно рассматривают два варианта проектирования ракеты. В 1-м

2-м варианте принимаются постоянными начальная масса ракеты m0 и масса топлива

mT.

Рассмотрим вариант vT = const. Это условие характерно для ракет с шахтными пусковыми установками. Запишем выражение для VMAX в дифференциальной форме:

Величина С слабо изменяется при изменении плотности топлива. Если принять ее постоянной, равной некоторому среднему значению в рассматриваемом диапазоне, то в результате интегрирования последнего выражения получим

189

другой, чтобы VMAX сохранялась постоянной. Показатель c отражает относительную степень влияния удельного импульса и плотности и зависит от относительной массы топлива (см. рис.1.8). При mТ.ОТН→1 с→0; при mТ.ОТН→0 с→1. В последнем

случае БЭ топлива следует оценивать по объемному удельному импульсу IУД ρT .

Выражение для С получено для одноступенчатых ракет и первых ступеней многоступенчатых. При определении показателя БЭ топлив для верхних ступеней многоступенчатых ракет необходимо учитывать влияние изменения массы топлива i-й ступени на баллистические характеристики также нижней ступени. В этом случае увеличение плотности топлива, повышая БЭ верхней ступени, одновременно увеличивает массу пассивной нагрузки нижней ступени.

По аналогий с формулой для С 1 ступени может быть получена формула для С

где i - индекс ступени, для которой проводится сравнение эффективности; j - индекс предыдущей ступени ракеты.

На рис. 4.1 представлены значения показателя С в зависимости от mТ.ОТН, вычисленные по приведенным ранее формулам (кривые), и экспериментальные (точки), полученные по результатам проектно-конструкторских проработок с использованием частных производных.

Анализ зависимостей С(mТ.ОТН) показывает, что для одноступенчатых ракет и первых ступеней многоступенчатых значение С, а следовательно, влияние плотности топлива на БЭ наибольшее. Особенно это относится к тактическим ракетам, для которых типовое значение mТ.ОТН находится в диапазоне 0,2…0,4 и величина С достигает значений 0,8…0,9. Из рис.4.1 следует, что для многоступенчатых ранет с повышением номера ступени величина С и степень влияния топлива на БЭ уменьшаются.

Рис. 4.1. Зависимость показателя С от относительной массы топлива и номера ступени ракеты