1611257189-3533543abff7ab8aa5556a860f40454e ([2001] Фиошина, Русин - Основы химии и технологии порохов и твёрдых ракетных топлив), страница 2

Этообстоятельство, а также высокое содержание порошкообразных наполнителей всоставе таких композиций, доходящее иногда до 90 мас. %, существенно усложняетреологические характеристики топливных масс, а, следовательно, и условия ихпереработки.Пороховые изделия характеризуются очень большим разнообразиемгеометрических форм, размеров и массы. Они могут иметь форму сферы, пластинки,цилиндрического или кубического зерна с одним или несколькими каналами,трубки, бесканальной, одноканальной или многоканальной цилиндрической илиовальной шашки. Конфигурация каналов и внешней поверхности изделий при этоммогут быть различной формы.

Размеры пороховых изделий также существенноразличаются - от десятых долей миллиметров до нескольких метров, а массаколеблется от десятых долей грамма до нескольких десятков и даже сотен тонн.Необходимость абсолютного исключения участия человека в выполненииопераций, сопряженных с опасностью для жизни, обусловливает высокий уровеньавтоматизации производства, дистанционный контроль и управление с пульта, и,естественно, высочайшую квалификацию обслуживающего персонала. Широкоиспользуются АСУТП, вплоть до полностью автоматизированных фаз производства,а в перспективе - создание заводов-автоматов.Классификация химических ракетных топлив и пороховВ основу классификации химических РТ положен наиболее характерныйпризнак - агрегатное состояние исходных топлив [7].

По этому признаку ониделятся на жидкие - ЖРТ, твердые - ТРТ, гибридные - ГРТ, пастообразные - ПРТракетные топлива (см. рис.1).Жидкие РТ могут быть унитарными (монотоплива) или раздельной подачи.Унитарными являются индивидуальные взрывчатые вещества (ВВ), а также жидкиесмеси или растворы горючих компонентов и окислителей. Однако наиболеевыгодные в энергетическом отношении смеси и растворы имеют повышенныевзрывчатые характеристики; поэтому обычно используют избыток горючего иполучают композиции с невысоким энергетическим уровнем. В настоящее времяони практически не применяются или используются в подсобных агрегатах. Труднореализовать также идею использования индивидуальных ВВ из-за их опасности вобращении.

Поэтому, как правило, применяются ЖРТ раздельной подачи, то естьгорючее (керосин, гидразин и другие) и окислитель (на основе НNО3, жидкий О2 идругие) размещаются на борту ракеты в отдельных баках и порционно дозируются вкамеру сгорания.Производство компонентов и композиций ЖРТ не является задачейпороходелов, а все остальные типы РТ, представленные на рис.1, могут бытьобъектами пороховой промышленности. В ракетных двигателях на твердом топливе(РДТТ), созданных по схеме раздельного снаряжения, используются твердыегорючие и окислители, которые химически не совмещаются в одном блоке; какправило, первые содержат небольшое количество окислителя, а вторые - горючего,которые хорошо совмещаются друг с другом (для обеспечения первичнойгазификации). Приведенные ниже расчетные данные для однокомпонентныхмодельных композиций показывают, что замена штатного окислителя перхлоратааммония NН4СlO4 на более эффективный перхлорат нитрония NO2СlO4, а штатногогорючего-вулканизата бутилкаучука (БК) на аланат лития LiAlH4 позволяетсущественно повысить энергетические характеристики систем - удельный импульсIуд (отношение тяги, развиваемой ракетным двигателем, к массовому расходутоплива).расчетныйI уд, кгс⋅с/кгТвердый окислитель Твердое горючееNН4СlO4БК239БК263NO2СlO4NO2СlO4LiAlH4283ХИМИЧЕСКИЕ РАКЕТНЫЕ ТОПЛИВАЖРТРаздельнойподачиТРТГРТПРТУнитарныеУнитарныеУнитарные (ракетныепороха)РаздельнойподачиРаздельнойподачиБез использованияокружающей средыДля ГРД прямой схемы(твердое горючеежидкий окислитель)РаздельнойподачиС использованиемокружающей среды: воды(гидрореагирующие)или кислорода(воздухореагирующие)Для ГРД обратной схемы(твердые окислитель – жидкоегорючее)Рис.

1 Классификация химических ракетных топливТвердые блоки окислителя и горючего определенных размеров и формыразмещаются в камере сгорания. Система подачи топлива в процессе работыдвигателя отсутствует, что является характерной особенностью РДТТ. Твердыйблок горючего или окислителя обдувается продуктами первичного разложенияодного из них и дожигается за счет взаимодействия с продуктами газификациидругого блока.Гибридные ракетные топлива называются также топливами смешанногоагрегатного состояния (ТСАС). В зависимости от агрегатного состояниякомпонентов они делятся на две группы:а) ГРТ без использования окружающей среды;б) ГРТ с использованием окружающей среды.ТСАС первой группы применяются в гибридных ракетных двигателях (ГРД)прямой схемы, для которой характерна композиция: блок твердого горючего (ТГ) жидкий окислитель (ЖО) или в ГРД обратной схемы, где используется блоктвердого окислителя (ТО) - жидкое горючее.Блоки компонентов размещаются в камере сгорания, а жидкие компоненты - всоответствующих баках и порционно дозируются в камеру сгорания.Наиболее перспективны ТСАС первой группы, потому что:• имеется широкая сырьевая база для производства жидких окислителей ибольшой опыт их использования в ЖРД;• большая эффективность ЖО по сравнению с ТО;• процесс изготовления крупных блоков ТО вызывает серьезныеосложнения.Целесообразно получать самогазифицирующиеся блоки ТГ, то естьсодержащие небольшое количество окислителя, так как они легко воспламеняются,полностью и равномерно сгорают при взаимодействии с жидким окислителем.Ниже приводятся сравнительные энергетические характеристики композицииТГ на полимерной основе (содержит небольшое количество перхлората аммония;коэффициент избытка окислителя α ≈ 0,1) в сочетании с твердым окислителем ижидкими окислителями (при оптимальном соотношении окислителя и горючихкомпонентов).расчетныйКомпозицияI уд, кгс⋅с/кг241ТГ + NН4Сl4ТГ + АК-27 (NO3+ 27%N2O4)250ТГ + ЖИДКИЙ N2O4256По энергетическим характеристикам ТСАС превосходят ТРТ и находятся науровне ЖРТ.Основным компонентом ГРТ с использованием окружающей среды гидрореагирующеготоплива(твердогоилипастообразного)являетсявысокотеплотворное порошкообразное металлическое горючее (Аl, Мg , их смеси исплавы).

Окислитель (например, NH4ClO4) берется в минимальном количестве(около 20%, α ≈ 0,1), необходимом для обеспечения начальной газификации топливаи образования паро-дымогазовой смеси. Эта смесь с большим содержанием частицмагния и алюминия вступает во вторичном контуре во взаимодействие с забортнойводой, и реакция развивается до установления термодинамического равновесия,отвечающего заданным параметрам. Истечение из сопла продуктов горения, воды впарообразном и жидком виде создает реактивную силу.

Таким образом, забортнаявода используется в качестве окислителя и рабочего тела.Гидрореактивные двигатели нашли широкое применение в торпедах.Известно, что вода содержит большое количество кислорода (89 мас.%); больше,чем любой окислитель, за исключением Н2O2 и чистого О2. Наиболее высокуютеплотворную способность при реакции с водой имеет бериллий; однако он ненашел применения из-за высокой стоимости и токсичности продуктов его сгорания.Воздухореагирующее твердое топливо (ВРТТ) также содержит большоеколичество металлического горючего и минимальное количество окислителя дляобеспечения начальной газификации.

Процесс дожигания продуктов неполногосгорания за счет кислорода воздуха осуществляется во вторичном контуревоздушно-реактивного двигателя (ВРД). Заряд может помещаться инепосредственно в камеру и сгорать там в потоке воздуха. Воздушно-реактивныедвигатели на твердом топливе обычно используются в качестве маршевых иразгонных двигателей зенитных управляемых ракет в относительно плотных слояхатмосферы. Таким образом, атмосферный воздух является окислителем и составляетзначительную часть рабочего тела, что существенно повышает Iуд. Понятие«топливо» включает вещества, которые транспортируются на борту ракеты.Пастообразные РТ представляют собой дисперсные системы, в которыхдисперсионной средой могут быть углеводорода, жидкие каучуки, жидкие ВВ идругие.

Для их загущения (перевода в гелеобразное состояние) используютсяповерхностно-активные вещества (ПАВ), полимерные добавки. Дисперсной фазойявляются порошкообразные окислители и горючие компоненты. По агрегатномусостоянию такие топлива занимают промежуточное положение между ЖРТ и ТРТ иэксплуатируются в пастообразном состоянии. Они кратко рассматриваются в этомпособии потому, что при эксплуатации унитарных ПРТ рабочий процесс можетбыть организован по типу РДТТ, когда все топливо загружается в камеру сгорания.При этом (в отличие от ТРТ) имеются меньшие ограничения в размерах и формекамеры.

Но этот процесс можно организовать и по типу ЖРД, то есть регулироватьрасход топлива. Кроме того, способы получения ПРТ и топливных масс смесевоготвердого топлива (СТТ) имеют много общего; и в том, и в другом случае особоевнимание уделяется реологическим характеристикам получаемых композиций.Пастообразные РТ для систем раздельной подачи представляют собой, как правило,металлизированные горючие для ЖРД, то есть суспензии Аl, Мg в керосине,гидразине и других жидких горючих.Пороха можно классифицировать по различным признакам. Наиболеераспространенной является классификация по физико-химической природе и пообластям применения.