Кубота Н. Твердые ракетные топлива и взрывчатые вещества

Подождите немного. Документ загружается.

241

чивается с увеличением

RDX

ξ в зоне

RDX

ξ < 0,40. Максимальный I

получают при

RDX

ξ (0,40), а затем он уменьшается с увеличением

RDX

ξ в зоне

RDX

ξ > 0,4.

Рис. 7.49 Теоретические характеристики СТРТ на основе ПХА-RDX:

87,0

RDXПХА

ξξ

Рис. 7.50. Теоретические характеристики СТРТ на основе ПХА-RDX-Al:

7395,0

RDXПХА

ξξ

242

7.3.2 Скорость горения

7.3.2.1 Влияние отношения компонентов смеси ПХА и RDX и размера

частицы

Скорости горения СТРТ на основе ПХА-RDX зависят от физико-

химических свойств использованных ПХА, RDX и горючего, размера частиц, а

также от отношения компонентов смеси и типа связующего. Результаты измере-

ний скорости горения сообщаются в AIAA Paper № 81-1582 [29]. Для получения

СТРТ на основе ПХА-RDX используются различные комбинации ПХА и RDX,

как показано в таблице 7.6 [29]. Частицы этих

веществ, введенные в топлива,

имеют бимодальную комбинацию размеров, причем крупные частицы RDX

(RDX-

L), мелкие частицы RDX (RDX-S), крупные частицы ПХА (ПХА-L) и мел-

кие частицы ПХА (ПХА-

S) обозначаются как d

, d

, соответственно. Как

видно из таблицы 7.6, во всех составах топлив используется связующее НТРВ.

Таблица 7.6. Составы СТРТ на основе ПХА, RDX и ПХА-RDX

Топливо, Rr Ra Ar- Aa-

№ 73 55 37 73 55 37 73 55 37 73 55 37

НТРВ 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20

RDX-L 56 40 24 56 40 24 – – – – – –

RDX-

S 24 40 56 – – – 24 40 56 – – –

AP-

L – – – – – – 56 40 24 56 24 24

AP-

S – – – 24 40 24 – – – 24 40 56

dd /

7/3 5/5 3/7 7/3 5/5 3/7 7/3 5/5 3/7 7/3 5/5 3/7

= 140 мкм d

= 5 мкм d

= 200 мкм d

= 20 мкм

Как показано на рис. 7.51-7.54, скорости горения зависят от комбинации

компонентов ПХА и RDX. Скорости горения СТРТ на основе ПХА, обозначенные

Рис. 7.51. Характеристика

скорости горения СТРТ на

основе ПХА, состоящего из

крупных и мелких частиц

243

как Аа-37, Аа-55 и Аа-73, приведены на рис. 7.51, выше скоростей горения СТРТ

на основе RDX, обозначенных как Rr-37, Rr-55, Rr-73, приведенных на рис. 7.52.

Скорости горения топлив Rа, содержащих мелкие частицы ПХА

, показаны на

рис. 7.53, выше скоростей горения топлив Аr, содержащих мелкие частицы RDX,

(рис. 7.54). Скорость горения увеличивается путем использования более мелких

частиц ПХА. Показатель степени в законе скорости горения

n остается неизмен-

ным при

38,0=n в случае изменения отношения компонентов смеси d

в топли-

вах Rа. На рис. 7.55 показано влияние отношения компонентов смеси ПХА и RDX

с различными размерами частиц на скорость горения при давлении 4 МПа. Харак-

теристики скорости горения подобные тем, которые были получены на СТРТ на

основе ПХА-RDX, наблюдали и в случае СТРТ на основе ПХА-НМХ [29].

Рис. 7.52. Характеристика

скорости горения СТРТ на осно-

ве RDХ, состоящего из крупных

и мелких частиц

Рис. 7.53. Характеристика

скорости горения СТРТ на осно-

ве ПХА-RDХ, состоящих из

крупных частиц RDX и мелких

частиц ПХА

244

Рис. 7.54. Характеристика скорости горения СТРТ на основе ПХА-RDХ,

состоящих из крупных частиц ПXА и мелких частиц RDХ

Рис. 7.55. Влияние размера частиц и отношения компонентов смеси ПXА и RDХ

на скорость горения СТРТ на основе ПХА, RDХ и ПХА-RDХ

245

7.3.2.2 Влияние связующего

В том случае, когда связующее НТРВ в СТРТ на основе ПХА-RDX заменя-

ют связующим НТРЕ, характеристики скорости горения значительно изменяются

[29]. Как видно на рис. 7.56, топливо Аа-55 (НТРЕ), содержащее ПХА и НТРЕ,

характеризуется плато- горением при изменении показателя степени в законе ско-

рости горения

n между 0,3 и –0,2 в диапазоне давлений 1-10 МПа. Плато-эффект

обусловлен использованием НТРЕ, который плавится на поверхности горения то-

плива и образует расплавленный слой. Частицы горящего ПХА на поверхности

горения частично покрываются этим расплавленным слоем, поэтому отток тепло-

вого потока из газовой фазы на поверхность горения уменьшается, что приводит к

уменьшению скорости

горения. В диапазоне высоких давлений > 15 МПа горение

становится неустойчивым. Подобное плато-горение и неустойчивое горение на-

блюдается тогда, когда используются другие горючие, подверженные плавлению.

Типичными горючими являются полиэфиры с концевыми диизоцианатными

группами с полиольным отверждением (эсидан/полиол), полиол с диизоцианатом

(полиол/TDI) и полиизобутилен с иминным отверждением и пластификатором

(PIB/MAPO) [9].

Рис. 7.56. Влияние связующего на характеристики скорости горения СТРТ

на основе ПХА (НТРВ и НТРЕ)

С другой стороны, СТРТ на основе RDX, полученное с использованием свя-

зующего НТРЕ, топливо Rr-55, горит с высоким показателем степени в законе

скорости горения

n = 0,85, как показано на рис. 7.57. Поскольку скорости горения

СТРТ на основе RDX ниже в сравнении со скоростями горения СТРТ на основе

ПХА в диапазоне давлений ниже ~ 10 МПа, то связующее имеет достаточно вре-

мени, чтобы расплавиться и разложиться на поверхности горения, при этом час-

тицы RDX содействуют экзотермической газификации поверхности. При увели-

чении концентрации

частиц ПХА в СТРТ на основе RDX скорость горения увели-

чивается, а показатель степени в законе скорости горения уменьшается. На

246

рис. 7.58 показаны скорости горения СТРТ на основе ПХА, ПХА-RDX и RDX,

полученных с использованием связующего НТРЕ. Влияние смеси ПХА или RDX

с крупным размером частиц и RDX или ПХА с мелким размером частиц очевид-

но, при введении в топливо частиц ПХА появляется плато-горение.

7.4 Смесевые твердые ракетные топлива на основе

ТАГН - ГАП

7.4.1 Физико-химические характеристики

Как показано на рис. 5.3, ТАГН горит очень быстро, даже если температура

пламени низкая. Когда ТАГН смешивается с полимерным материалом, наблюда-

ется специфическая скорость горения. В отличие от СТРТ на основе ПХА, СТРТ

Рис. 7.57. Влияние связующе-

го на характеристики скорости

горения СТРТ на основе RDX

(НТРВ и НТРЕ)

Рис. 7.58. Характеристики

скорости горения

СТРТ на осно-

ве ПХА, ПХА-RDX и RDX

(НТРЕ)

247

на основе ТАГН являются обогащенными горючим, а температура пламени низ-

кой. Однако плотность энергии СТРТ на основе ТАГН и ГАП является относи-

тельно высокой из-за высокой концентрации водорода [30]. Как показано в табли-

це 7.7, плотность энергии топлива с ТАГН с массовой долей

ξ (0,20), смешанной с

ГАП, приблизительно эквивалентна топливу, состоящему из октогена

ξ (0,20),

смешанному с ГАП. Физико-химические свойства ТАГН-ГАП и октоген-ГАП

(для сравнения) показаны в таблице 7.7. Термодинамический потенциал Θ, опре-

деляемый как

/М

, является одним и тем же для СТРТ на основе ТАГН-ГАП и

октоген-ГАП.

Таблица 7.7. Физико-химические свойства топлив на основе ТАГН-ГАП и

октоген-ГАП, с ξ

ГАП

(0,80)

ξ (ТАГН) или ξ (октогена)

ТАГН-ГАП Октоген-ГАП

ξ (0,20) ξ (0,20)

Температура пламени при 5 МПа

К 1380 1480

Молекулярная масса М

, кг/кмоль 19,5 19,8

Плотность

, кг/м

1320 1400

Θ, кмоль·К/кг 70,8 74,7

7.4.2 Скорость горения и структура волны горения

Скорости горения топлива на основе ТАГН-ГАП с ξ(0,20) при различных

температурах представлены на рис. 7.59. Показатель степени в законе скорости

горения составляет 0,95, а температурная чувствительность – 0,010 К

–1

. Когда

ТАГН и ГАП смешиваются вместе, то скорость горения понижается относительно

скорости горения каждого из компонентов, как видно из рис. 5.17 для сополимера

ГАП и из рис. 5.3 для ТАГН [30]. Однако, когда массовая доля ТАГН увеличива-

ется, то скорость горения увеличивается в области низких давлений, а показатель

степени в законе скорости горения

уменьшается, как показано на рис. 7.60.

Рис. 7.59. Скорость горения

и температурная чувствитель-

ность СТРТ на основе ТАГН-

ГАП с

ξ (0,20)

248

Поверхность горения топлив на основе ТАГН-ГАП является гетерогенной

из-за разложения частиц ТАГН в ГАП. В области низких значений ξ (ТАГН) (ни-

же 0,3) волна горения подобна волне горения сополимера ГАП. В области высо-

кого

ξ (ТАГН) (свыше 0,7) светящееся пламя отстоит на некотором расстоянии от

поверхности горения, как и в случае пламени ТАГН, показанном на рис. 5.4. Так

как тепловой поток, генерируемый на поверхности горения, является высоким как

для ТАГН, так и для ГАП, то скорость горения СТРТ на основе ТАГН-ГАП кон-

тролируется скоростью выделения тепла

на поверхности горения.

7.5 Смесевые твердые ракетные топлива на основе нитрата

аммония и азида

7.5.1 Смесевые твердые ракетные топлива на основе нитрата

аммония и ГАП

Подобно нитраминным СТРТ и СТРТ на основе ТАГН смесевые твердые

ракетные топлива на основе нитрата аммония при горении образуют не содержа-

щие галогена продукты, следовательно, являются бездымными. Однако их балли-

стические характеристики хуже баллистических характеристик других СТРТ:

скорость горения слишком низкая, а показатель степени в законе скорости горе-

ния слишком высокий

, чтобы разрешить изготовление зарядов ТРТ. Кроме того,

механические составы СТРТ на основе НА изменяются с изменением температу-

ры, что обуславливается фазовым превращением частиц нитрата аммония (НА).

Рис. 7.60. Скорость горения

и температурная чувствитель-

ность СТРТ на основе ТАГН-

ГАП с

ξ(0,60)

249

СТРТ на основе НА, содержащие ξ

НА

в пределах от 0,70 до 0,80 и полиуре-

тановое связующее (ПУ), исследуются довольно активно как бездымные ракетные

твердые топлива на предмет их различных баллистических характеристик [31].

Поскольку эти топлива изготавливаются из не содержащих галоген ингредиентов,

то теоретически дым из сопла РД, в котором они находятся, не должен образовы-

ваться. Однако удельный импульс является слишком

низким, чтобы разрешить

использовать такие топлива в перспективных РД. Более того, фазовое превраще-

ние частиц НА ухудшает механические свойства топливных зарядов, а работоспо-

собность их зависит от влажности. Смешение НА со связующим ограничивается

вследствие кристаллической формы его частицы (НА). Мелкодисперсные частицы

НА, использованные в топливе, обеспечивают получение прессованных зарядов, в

состав которых входит ξ

НА

(0,85 и более), таким образом, продукты сгорания без-

дымные по своей природе. Этот класс топливных зарядов используется как газо-

генерирующие топлива.

Скорости горения топлив на основе НА довольно ограничены, от 0,8 до

10 мм/с при давлении 7 МПа. Однако скорость горения в меньшей степени зави-

сит от размера частиц НА, поскольку последние плавятся

и смешиваются с рас-

плавленным/жидким полиуретановым связующим на поверхности горения [31].

Газообразные продукты разложения, образовавшиеся на поверхности горения,

предварительно смешиваются и образуют светящееся пламя предварительно

смешанного типа над поверхностью горения. Светящееся пламя находится на не-

котором расстоянии над поверхностью горения, как было установлено в случае

двухосновных ТРТ. В противоположность им

топлива на основе НА образуют

светящееся пламя диффузионного типа на поверхности горения и непосредствен-

но над ней.

Для обеспечения полного сгорания СТРТ на основе НА необходимы катали-

заторы горения. Известными катализаторами горения СТРТ на основе НА явля-

ются соединения хрома, такие как триоксид хрома (Cr

), дихромат аммония

((NH

)

) и хромит меди (СuCr

). Вместе с этими катализаторами горения в

состав также вводят уголь (сажу) С в качестве модификатора скорости горения. В

топлива на основе НА вводят очень мелкие (мелкодисперсные) частицы NiO в ка-

честве стабилизатора фазового превращения кристаллов НА [21]. Показатель сте-

пени в законе скорости горения при отсутствии катализатора примерно составля-

ет 0,8 при

НА

(0,8); он уменьшается до 0,5-0,6 при добавлении катализатора.

В случае возможного наличия небольшого количества молекул галогена в

продуктах сгорания СТРТ на основе НА получают топлива, содержащие частицы

ПХА, т.е. СТРТ на основе НА-ПХА. Несмотря на то, что введение частиц ПХА

способствует увеличению концентрации HCl в продуктах сгорания, баллистиче-

ские свойства значительно

улучшаются: при введении частиц ПХА в топливо на

основе НА-ПУ скорость горения увеличивается, а показатель степени в законе

скорости горения уменьшается без использования катализатора. Удельный им-

пульс также увеличивается с 225 до 235 с при давлении 10 МПа путем замены

НА

(0,30) на ξ

ПХА

(0,30). Однако бездымная природа топлива теряется вследствие

образования HCl, такое топливо становится топливом с пониженным дымообра-

зованием.

250

В том случае, когда частицы НА смешивают с ГАП, получают СТРТ на ос-

нове НА-ГАП. Удельный импульс увеличивается примерно на 10 с путем замены

ПБ (полибутадиенового) или ПУ (полиуретанового) связующего полиглицидила-

зидом, ГАП, как показано на рис. 4.16. Скорость горения также увеличивается

вследствие экзотермического разложения ГАП. Так как ГАП горит самостоятель-

но

, горение частиц НА поддерживается экзотермической реакцией разложения

ГАП на поверхности горения топлива. Как показано на рис. 7.61, скорость горе-

ния значительно уменьшается путем введения частиц НА. В том случае, когда

НА

(0,3) вводится ГАП, скорость горения в диапазоне низких давлений уменьшается,

а показатель степени в законе скорости горения увеличивается с 0,55 до 1,05. При

введении

НА

(0,7) в ГАП скорость горения уменьшается с 18 до 3,7 мм/с при дав-

лении 8 МПа, а при давлении 3 МПа горение становится прерывистым. На

рис. 7.62 показана зависимость между скоростью горения и адиабатической тем-

пературой пламени СТРТ на основе НА-ГАП. При массовых долях частиц НА в

пределах

НА

(0,1)-ξ

НА

(0,5), введенных в топливо, температура пламени находится

в диапазоне от 1350 до 1410 К. Однако при введении

НА

(0,7) температура пламе-

ни увеличивается с 1400 до 1950 К. Несмотря на это значительное повышение

температуры пламени, скорость горения при введении

НА

(0,7) фактически

уменьшается.

Рис. 7.61. Характеристики скорости горения топлив на основе НА-ГАП