3.3. Понятие о горении смесевых топлив.
Промежуточная ситуация между диффузионным горением и горением заранее перемешанной смеси реализуется в смесевых топливах. Смесевыми называют твердые и пастообразные ракетные топлива, содержащие значительное количество дисперсного компонента.
3.3.1. Состав смесевых топлив.
Первым смесевым топливом был прессованный черный (дымный) порох, примитивные ракеты с его использованием появились практически одновременно с изобретением огнестрельного оружия. В черном порохе дисперсные компоненты – селитра KNO3 и сажа, скрепляющим их связующим служит сера. При этом сера и сажа играют роль горючего, селитра является окислителем, поскольку при нагревании разлагается с выделением кислорода. Ракеты на черном порохе не могли конкурировать со ствольным оружием: прессованные заряды часто разрушались в процессе горения под давлением (десятки атмосфер), которое устанавливается в ракетной камере.
Ситуация изменилась с изобретением бездымного пороха в конце 19 века (во Франции Вьель, в России Менделеев). Фактически бездымный порох – это гомогенная прочная пластмасса, и это позволило создавать более надежные твердотопливные ракеты (например, снаряды «Катюш»).
Смесевые составы снова появились после 1945 г. В качестве окислителя начали использовать порошок перхлората аммония NH4ClO4 (кратко ПХА), который давно был известен как отбеливающее средство, так что технология его получения в промышленных масштабах уже была отработана. В качестве связующего (и одновременно горючего) применяли иногда битум, а главным образом вещества, способные (при введении специальной добавки) к полимеризации: эпоксидную смолу и (чаще всего) синтетический каучук. Предпочтение каучуку отдается за его способность к значительным упругим деформациям, позволяющую избежать больших напряжений и разрывов при существенных изменениях внутрикамерного давления, неизбежных, например, при запуске двигателя.
Показатель эффективности топлива – импульс реактивной силы, создаваемый единицей массы топлива – пропорционален скорости звука а0 в продуктах сгорания.
Здесь - молярная масса газообразной части продуктов сгорания (типичные значения 22-26 г/моль). Для получения максимальной температуры продуктов сгорания (и соответственно тяги двигателя) нужно, чтобы состав содержал 88% ПХА по массе (стехиометрическое соотношение, получено термодинамическими расчетами и экспериментом). Но максимальная объемная доля сферических частиц одного размера в свободной засыпке составляет 0.4, так что максимальная достижимая массовая доля ПХА одного размера
= 0.4 ПХА/(0.4 ПХА + 0.6 b) = 0.4/(0.4 + 0.6 b/ПХА)
Здесь b/ПХА – отношение плотностей связующего и ПХА, близкое к 0.5, так что = 0.57. Чтобы достичь требуемой величины 0.88, приходится использовать смесь нескольких фракций порошков ПХА разного размера (например, 100-300 мкм, 10-40 мкм и менее 5 мкм).
Для повышения единичного импульса в смесевые составы добавляют до 20% порошкообразного (включая наноразмерный) алюминия.
В последние годы в связи с требованиями экологии ПХА в смесевых составах заменяют на бесхлорный наполнитель (порошкообразные гексоген, октоген и новые мощные ВВ). Эти вещества в лучшем случае имеют очень слабые по сравнению с ПХА окислительные свойства, и это значит, что для получения высокого единичного импульса нужно использовать так называемое активное связующее (не нуждающееся в окислителе, способное к самостоятельному горению). В качестве такого связующего (до отверждения) можно использовать, например, полуфабрикат упомянутого выше бездымного пороха или неотвержденный смесевой состав с очень мелким ПХА.