Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Основные характеристики смесевых ракетных твердых топлив и области их применения

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 766472.01.99
Приведены основные характеристики твердых ракетных топлив, их классификация и ингредиенты. Рассмотрены свойства смесевых твердых ракетных топлив, основные группы и области применения твердых ракетных топлив. Показаны преимущества перспективных твердых ракетных топлив на основе энергетических связующих, физические и химические процессы горения этих топлив. Рассмотрены конструкции твердотопливных ракет и двигателей. Для студентов, обучающихся по программе подготовки специалистов для аэрокосмической и химико-технологической отрасли. Может быть полезно инженерам, научным сотрудникам, работающим в этой области.
Нуруляаев, Э. М. Основные характеристики смесевых ракетных твердых топлив и области их применения : учебное пособие / Э. М. Нуруляаев. - 2-е изд.. испр. и доп. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 364 с. - ISBN 978-5-9729-0651-2. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1832012 (дата обращения: 28.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.

Э. М. Нуруллаев








ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
СМЕСЕВЫХ РАКЕТНЫХ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ И ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ
Издание второе, исправленное и дополненное
Утверждено редакционно-издательским советом Пермского национального исследовательского политехнического университета в качестве учебного пособия













Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 621.454.3
ББК 39.65
     Н90

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Р. В. Бульбович; (Пермский национальный исследовательский
политехнический университет);
доктор технических наук, профессор В. М. Зиновьев (Научно-исследовательский институт
полимерных материалов)




     Нуруллаев, Э. М.
Н90     Основные характеристики смесевых ракетных твердых топлив
     и области их применения : учебное пособие / Э. М. Нуруллаев -2-е изд., испр. и доп. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 364 с. : ил., табл.
        ISBN 978-5-9729-0651-2

     Приведены основные характеристики твердых ракетных топлив, их классификация и ингредиенты. Рассмотрены свойства смесевых твердых ракетных топлив, основные группы и области применения твердых ракетных топлив. Показаны преимущества перспективных твердых ракетных топлив на основе энергетических связующих, физические и химические процессы горения этих топлив. Рассмотрены конструкции твердотопливных ракет и двигателей.
     Для студентов, обучающихся по программе подготовки специалистов для аэрокосмической и химико-технологической отрасли. Может быть полезно инженерам, научным сотрудникам, работающим в этой области.

УДК 621.454.3
ББК 39.65



ISBN 978-5-9729-0651-2  © Нуруллаев Э. М., 2021
                        © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                        © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ............................................8

Глава 1. СМЕСЕВЫЕ ТВЕРДЫЕ РАКЕТНЫЕ ТОПЛИВА............19
1.1. Состав смесевых твердых ракетных топлив.......20
Физико-математическое описание теории..............25
1.2. Характеристики, связанные с функциональными концевыми группами.................................43
   1.2.1. Поперечно-сшивающий агент................45
   1.2.2. Пластификаторы...........................47
   1.2.3. Добавки..................................48
   1.2.4. Регулирование скорости горения...........49
   1.2.5. Поверхностно-активные вещества и связующие агенты..............................53
   1.2.6. Различные добавки........................56
1.3. Производственные методы и контроль качества...65
   1.3.1. Операции смешения........................65
   1.3.2. Приготовление полимерного связующего (предварительная смесь).........................66
1.4. Заливка зарядов...............................70
1.5. Описание основных процессов литья зарядов.....73
1.6. Температура отверждения и концевые операции...81
1.7. Влияние производственных процессов изготовления твердотопливных зарядов на их характеристики горения, на механическую и структурную целостность..........83
1.8. Контроль качества.............................87
   1.8.1. Метод неразрушающего контроля или инспекция.87
   1.8.2. Внутренний контроль......................89

Глава 2. СВОЙСТВА СМЕСЕВЫХ ТВЕРДЫХ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ....................................97
2.1. Энергетические характеристики и характеристики горения (стандартный практический удельный импульс)...97


3

2.2. Механические характеристики.....................100
2.3. Старение смесевых твердых ракетных топлив.......102
2.4. Характеристики безопасности и пиротехническое поведение............................................104
2.5. Вид разложения смесевых твердых ракетных топлив.108
2.6. Чувствительность к механическому воздействию....109
2.7. Чувствительность к тепловому воздействию........110
2.8. Чувствительность к статическому электричеству...110

Глава 3. ДВУХОСНОВНЫЕ ТВЕРДЫЕ РАКЕТНЫЕ ТОПЛИВА.....................................115
3.1. Составы и сырьевые материалы....................116
3.2. Характеристики сырьевых материалов. Энергетические сырьевые материалы....................121
3.3. Технологические добавки.........................123
3.4. Основные фазы производственного процесса........126
3.5. Процесс производства экструдируемых двухосновных твердых ракетных топлив (ЕИБ)...........128
3.6. Другие процессы изготовления зарядов из топлив..133
3.7. Производство литьевых двухосновных твердых ракетных топлив (CDB)........................136
   3.7.1. Производство литьевого пороха..............136
   3.7.2. Получение заливочного растворителя (среды).140
   3.7.3. Производство литьевых двухосновных твердых ракетных топлив...........................141
   3.7.4. Другие процессы............................145
3.8. Характеристики двухосновных твердых ракетных топлив......................................146
   3.8.1. Физико-химические характеристики...........146
   3.8.2. Механические характеристики................149
   3.8.3. Баллистические характеристики..............151
   3.8.4. Параметры, влияющие на скорость горения....152
   3.8.5. Процесс производства двухосновных топлив...153
   3.8.6. Энергетические характеристики..............155

4

3.9. Эксплуатационные характеристики..............157
   3.9.1. Сигнатура...............................157
   3.9.2. Нестабильность горения..................160
3.10. Химическая стабильность.....................164
3.11. Параметры, влияющие на химическую стабильность.168
3.12. Старение....................................169
3.13. Характеристики безопасности.................171
3.14. Склонность к воспламенению..................173

Глава 4. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТВЕРДЫЕ РАКЕТНЫЕ ТОПЛИВА НА ОСНОВЕ ЭНЕРГОЕМКИХ
ПОЛИМЕРНЫХ СВЯЗУЮЩИХ..............................176
4.1. Определение семейства твердых ракетных топлив на основе перспективных энергетических
полимерных связующих..............................176
4.2. Преимущества перспективных твердых ракетных топлив на высокоэнергетическом полимерном связующем..............................177
4.3. Сырьевые материалы...........................178
   4.3.1. Основные положения......................178
   4.3.2. Компоненты полимерного связующего. Состав перспективных энергетических
   полимерных связующих...........................180
   4.3.3. Полимеры................................182
   4.3.4. Энергетические пластификаторы...........184
   4.3.5. Инертные пластификаторы.................186
   4.3.6. Отверждающие агенты.....................187
   4.3.7. Наполнители.............................189
   4.3.8. Окислители..............................190
4.4. Различные добавки............................191
4.5. Проблемы производственных процессов..........193
   4.5.1. Принципы производства перспективных твердых ракетных топлив с энергетическим полимерным связующим...........................193

5

   4.5.2. Производство высокоэнергетических твердых ракетных топлив (XLDB - NEPE).............198
   4.5.3. Производство зарядов твердого ракетного топлива (заливка, отверждение, окончательная
   доработка и контроль качества)....................204
4.6. Характеристика перспективных твердых ракетных топлив с энергетическими
полимерными связующими..............................205
   4.6.1. Физические и физико-химические характеристики...................................205
   4.6.2. Механические свойства.....................210
4.7. Скорость горения перспективных
твердых ракетных топлив на энергетическом полимерном связующем................................218
   4.7.1. Скорость горения твердых ракетных топлив CMCDB.....................................218
   4.7.2. Скорость горения твердых ракетных топлив XLDB и НЕПЕ......................................220
4.8. Энергетические характеристики..................223
   4.8.1. Теоретическое совершенство................225
   4.8.2. Измеренное совершенство...................225
4.9. Функциональные характеристики..................226
   4.9.1. Сигнатура.................................226
   4.9.2. Нестабильность горения....................228
4.10. Старение......................................230
4.11. Характеристики безопасности...................235
   4.11.1. Правила безопасности при производстве эффективных твердых ракетных топлив
   на энергетическом полимерном связующем...........236
   4.11.2. Безопасность твердотопливных зарядов.....239

Глава 5. ГОРЕНИЕ ТВЕРДЫХ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ............242
5.1. Физические и химические процессы...............242
5.2. Процесс воспламенения..........................248

6

5.3. Гашение или прекращение действия силы тяги.....252
5.4. Нестабильность горения.........................256
   5.4.1. Акустические нестабильности...............256
   5.4.2. Аналитические модели и моделирование стабильности горения............................265
   5.4.3. Оценка стабильности горения, средства и конструкция..........................266
   5.4.4. Нестабильность, связанная с образованием вихрей............................271
Задачи к главе 5....................................273

Глава 6. КОМПОНЕНТЫ И КОНСТРУКЦИИ ТВЕРДОТОПЛИВНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.................275
6.1. Корпус двигателя на твердом ракетном топливе...275
   6.1.1. Конструкция корпуса двигателя, материалы для его изготовления...................275
   6.1.2. Металлические корпуса.....................287
   6.1.3. Корпуса из композиционных материалов......292
6.2. Сопла. Классификация...........................297
6.3. Проектирование и изготовление..................300
6.4. Поглощение (абсорбция) тепла и материалы сопла.309
6.5. Детали воспламенителя..........................324
   6.5.1. Пиротехнические воспламенители............326
   6.5.2. Пирогенные воспламенители.................328
   6.5.3. Анализ воспламенителя и его конструкции...334
6.6. Подход к проектированию твердотопливного ракетного двигателя.................................335
Задачи к главе 6....................................349

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК............................354


7

ВВЕДЕНИЕ


      Производство порохов, твердых ракетных топлив, взрывчатых веществ, пиротехнических составов за последнее время превратилось в отдельное направление химической промышленности - специальной химии. Ее развитие, наряду с широким применением в мирных целях, дало мощный толчок в развитии артиллерийского и ракетного вооружения. Особое место здесь занимает наука и техника о порохах и твердых ракетных топливах, которая формирует, классифицирует компонентную базу, рецептуры и технологические процессы производства зарядов из этих высокоэнергетических материалов. В той или иной степени производством порохов и твердых ракетных топлив владеют примерно 35 стран мира, среди которых необходимо выделить США, Россию, Германию, Францию, Великобританию, Швецию, Финляндию, Китай.
      Одной из характеристик развития спецхимии может служить диапазон по массе изготавливаемых зарядов: от нескольких граммов до сотен тонн. В настоящее время самым крупным является сегментированный ракетный двигатель на твердом топливе (РДДТ), являющийся стартовым ускорителем к космическому кораблю «Спейс-Шаттл» массой 500 т. Для запуска используется два стартовых ускорителя.
      Другим примером является стартовый ускоритель франкоитальянского производства к космическому кораблю «Ариан-5» массой 237 т. Для старта также используется два ускорителя. Важным моментом является многоразовое использование отработанных паров РДТТ. С учетом возможности транспортно-технологических устройств максимальный размер секции РДТТ составляет

8

100-120 т, но в перспективных проектах обсуждается и возможность изготовления и моноблочных РДТТ.
     Кроме того, и «Спайс-Шатлл», и «Ариан-5» используют несколько десятков вспомогательных РДТТ. Масштабность этих работ впечатляет. Возможно, и Россия с созданием космодрома «Восточный» будет реализовывать планы по созданию таких гигантских ускорителей.
     Трудно перечислить все области применения РДТТ: это военно-технические стратегические комплексы, комплексы ПКО, ПВО, ПРО, тактические ракеты класса «воздух-воздух», «воз-дух-земля», комплексы залпового огня, противотанковые управляемые снаряды (ПТУРсы), газогенераторы и т. д.
     Каждое применение РДТТ формирует и свои требования к порохам и твердым ракетным топливам (по энергетике, баллистике, механическим свойствам, времени работы и эксплуатации). В мировой практике отработана методология разработки зарядов из порохов и твердых ракетных топлив.
     Обсуждаемыми параметрами являются энергетические характеристики (удельный импульс, сила пороха), баллистика (скорость горения, показатель давления в законе скорости горения, температурный коэффициент скорости горения, количество и состав конденсированной фазы, устойчивость горения), механические свойства (свойство при одноосном растяжении, прочность, деформация и модуль, коэффициент Пуассона, влияние температуры и скорости деформации, их изменение в процессе эксплуатации), технико-экономические показатели их производства.
     Когда-то стоимость пороха сравнивали со стоимостью шоколада, в настоящее время стоимость пороха и твердых ракетных топлив превышает стоимость шоколада на порядок. Одной фразой экономические факторы можно записать как «стоимость -эффективность».

9

     Развитие производства порохов и твердых ракетных топлив стимулировало развитие производства полимеров, каучуков, пластификаторов, стабилизаторов, неорганических и органических окислителей, катализаторов. Конечно, специалисту в области порохов и твердых ракетных топлив крайне важно знать и понимать сложившуюся терминологию этого направления, при этом надо учесть, что она в настоящее время до конца не стандартизирована. В справочнике Р. Майера, Д. Кехлера, А. Р. Хомберга «Взрывчатые вещества» записано: «Твердое ракетное топливо -это взрывчатый материал с относительно низкой управляемой скоростью горения. Может быть либо твердым, либо пластичным, горит с постоянной скоростью после воспламенения без доступа атмосферы. Односоставное топливо состоит, главным образом, из нитроцеллюлозы. Двухсоставное твердое ракетное топливо содержит нитроцеллюлозу и нитроглицерин. Смесевое твердое ракетное топливо содержит окислители в матрице связующего».
     Типы твердых ракетных топлив:
     1. Смесевое твердое ракетное топливо представляет собой тонкоизмельченные окислители, диспергированные в матрице горючего - связующего. В качестве окислителей могут использоваться:
       1) нитрат аммония;
       2) перхлораты аммония и калия;
       3) нитрамины (гексоген, октоген, cz-20);
       4) аммониевая соль динитроазовый кислоты (АДНА).
     В качестве металлических горючих:
       1) алюминиевый порошок;
       2) порошок бора, циркония;
       3) порошок алюминиево-магниевых сплавов;
       4) порошкообразный бериллий.

10

     2.      Двухосновное твердое ракетное топливо: гомогенное коллоидного типа топливо, состоящее из нитроцеллюлозы, пластификатора, состоящего из нитроэфиров и инертных веществ.
     3.      Пластизольное: смесевое или двухосновное топливо, в котором полимер растворен в пластификаторе.
     4.      Смесевое двухосновное твердое ракетное топливо: двухосновное твердое ракетное топливо, содержащее в дисперсной фазе тонкоизмельченный окислитель и обычно порошкообразное горючее (алюминий).
     5.      Одноосновное твердое ракетное топливо: коллоидный раствор нитроцеллюлозы и инертных пластификаторов.
     Наиболее близко к классификации и стандартизации порохов и твердых ракетных топлив приблизились французские исследователи. В основе классификаций у ряда авторов химический состав, производственный процесс, иногда некоторые функциональные характеристики, такие как дымообразование, механические свойства (например, эластомерное модифицированное двухосновное топливо).
     Гомогенными твердыми ракетными топливами называют двухосновные твердые ракетные топлива. Во фракции они подразделяются на два типа:
     1) экструдированные двухосновные твердые ракетные топлива без растворителя;
     2) литьевые двухосновные твердые ракетные топлива.
     Когда высокоэнергетические твердые компоненты вводятся в это топливо, то оно становится смесевым модифицированным двухосновным топливом (CMDB). Это название используется только для литиевых топлив, даже если некоторые экструдированные двухосновные топлива (EDB) содержат окислители или энергетические твердые вещества. Также разрабатываются эластомерные модифицированные литиевые топлива EMCDB. Они

11

являются литиевыми двухосновными топливами, в которых эластомерное связующее добавляется к двухосновному. В эти топлива могут добавляться высокоэнергетические вещества. По французской номенклатуре эти топлива являются смесевыми, и они имеют общее название - нитраголы. Если они содержат перхлорат аммония, то эти топлива называются нитралитами и т. д. Вышеуказанные топлива будут классифицированы как топлива с минимальным количеством дымообразованием, если их формула будет содержать только атомы C, H, O, N.
     В английской терминологии смесевые твердые ракетные топлива названы в соответствии с типом их связующего, например, HTPB (гидроксилсодержащий полибутадиен) или полиуретановые топлива, что, конечно, означает некоторую двусмысленность, за исключением того факта, что большинство смесевых топлив используют в качестве окислителя перхлорат аммония.
     Присутствие твердого порошкообразного горючего является менее ясным, так как все больше и больше твердых топлив «с уменьшенным» дымообразованием, т. е. без металлического горючего, используются в практических целях. Во Франции название твердых топлив изменяется в соответствии с основными компонентами состава, например, смесевое твердое ракетное топливо на основе полибутадиена, ПХА и алюминия называется «буталан». Без алюминия оно называется «буталит».
     Так называемые высокоэнергетические топлива являются смесевыми твердыми ракетными топливами с энергетическим связующим. Наиболее типичным является использование связующего пластифицированного нитроэфирами и их сокращенная абревиатура XZDB - поперечно сшитые смесевые двухосновные топлива, даже если в них почти не содержится нитроцеллюлозы в качестве связующего, их название - нитраргол. Малодымные XZDB на основе октогена называются нитрамитами.

12

     Термин «минимальное дымообразование», или «уменьшенное дымообразование», конечно, является недостаточным для четкой диффренцации топлив. Сейчас проводятся исследования по определению уровня дымообразования, чтобы иметь возможность сравнить различные топлива. Идея заключается в характеризации первичного и вторичного дымообразования (AI2O3, HCl).
     В США также нет четкой классификации порохов и твердых ракетных топлив, хотя, например, серия артиллерийских порохов имеет индекс «М»:
     •  топливо М-14 - одноосновное (НЦ - 89 % (13 % N), ДНТ - 8 %, ДБФ - 2 %, ДФА - 1 %);
     •  топливо М-30 А 1 - двухосновное (НЦ - 27 % (12,6 % N), НГ - 24,3 %, нитрогуанидин - 47,2 %);
     •  топливо М-43 - малоуязвимое (НЦ - 4 % (12,6 % N), гексоген - 76 %, ацетобутират целлюлозы (АБЦ) - 12 %, пластификатор - 8 %).
     В то же время самое известное топливо имеет индекс JA-2 (НЦ - 59 %, 13,1 % N), НГ - 15 %, ДНДЭГ - 25 %, акорзит II - 1 %).
     Новое поколение топлива на основе нитратоэтилнитрамина (НЕНА - NENA) имеет обозначения:
     •  НЕНА-О, NEm-О (метил НЕНА - 14,85 %, НЦ - 49,95 %, ДИНА - 34,70 %, цетролит - 1 %);
     •  НЕНА-Бу 15 (NENA-Bu-15) (бутил НЕНА - 14,85 %, НЦ - 49,95 %, ДИНА - 34,70 %, цетролит - 1 %).
     Составы смесевых модифицированных твердых топлив известны под индексами FKM, VRP, VWC, ND-N, UTP, SPiSS, которые соответствуют определенным фирмам и компаниям.
     Во Франции известен порох В. Это одноосновный порох, стабилизированный 1,5 % ДФА (дифиниламина). Классификации

13

проводятся по форме пороховых элементов, путем добавления к названию пороха суффикса: например, Poudre-B Ba. Если форма порохового элемента - короткие прутки (цилиндрики), то суффикс Ва, если полосы, ленты - Bd, длинные прутки, шнуры - Cd, диски - Di, чешуйки (старая деноминация) - FP, чешуйки (новая деноминация) - Pa, обкатанные сферы - Se, сферы - SP, трубки с 7 каналами - 7Т, трубки с 19 каналами -19Т, разрезные трубки - Tf, трубки - TU.
     Финская промышленность классифицирует одноосновные и двухосновные пороха по сериям:
     • N100 - одноосновные пороха с различной степенью флег-матизации (НЦ, стабилизатор, уменьшающий пламя агент, графит). Выпускаются марки порохов N110, N120, N130, N133, N135, N140, N150, N160, N165, N170, отличающиеся по форме и размерам пороховых элементов, содержанием энергии, объемной плотностью, скоростью горения.
     • N300 - одноосновные пороха с различной пористостью. Выпускаются марки порохов: N310, N320, N330 N340, N350, 3N37, N105, несколько отличающиеся размером пороховых элементов, содержанием энергии, объемной плотностью и скоростью горения.
     • N500 - двухосновные экструдируемые топлива штатного состава (НЦ, НГ, стабилизатор, агент, уменьшающий пламя, агент, уменьшающий износ ствола, покрывающий агент). Выпускаются марки порохов: N540, N550, N560, отличающиеся размером пороховых элементов, содержанием энергии, объемной плотностью и несколько по скорости горения.
     Была сделана попытка классифицировать пороха для стрелкового оружия, причем в качестве классификации была выбрана

14

скорость горения. Оказалось, что относительная скорость горения отличается на порядок.
     Название марок порохов разнообразно, судя по этому названию, оценить тот или иной порох невозможно. Например: R-1 (Norma), Bullseye (Alliaut), Solo 1000 (Scot), N2 (Accurate arms), Red Dot (Alliaut), Clays (Hodgdon), Royal Scot (Scot) и т. д. Общий список состоял из более 100 наименований порохов в том числе и финских.
     Российские составы порохов и твердых топлив также не подвергались строгой классификации. Индексы обычно присваивались предприятиями-разработчиками. Иногда базой служило используемое связующее: тиокольные каучуки (серия ТФА), полиэфирные связующие (ПАЛ, ПФМ), бутилкаучук (БК, Т-9 БК), полидивинилизопреновый каучук (ПД). В аббревиатуре иногда вводились числа, характеризующие содержание связующего и алюминия, например: По 17/18, ПД 13/5, ПД 12/20 и т. д.
     Определенная систематизация твердых топлив проводилась в соответствии с их характеристиками: быстрогорящие, мед-ленногорящие, морозостойкие, с малой и большой зависимостью в законе скорости горения и т. д.
     Более строгая классификация порохов и топлив проводилась по классам опасности и классам совместимости, определяющим правила создания современных пожаровзрывоопасных производств. Эта оценка проводилась для каждого состава, особенно содержащего мощные взрывчатые вещества. Ведь известно, что содержание октагена в некоторых составах твердых топлив превышает 50 %. В связи с этим крайне необходимо создавать базы данных порохов, твердых ракетных топлив, их компонентов, систематически оценивать состояние развития отрасли спецхимии. Намечается определенное слияние компонентной базы двух

15