Штехер М. С. - Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1043408), страница 28

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 28)

ливо. Адгезией должны обладать оба компонента смесевого топлива, но обычно в большей степени адгезией обладает горючее-компонент, являющийся в данном случае пластификатором.

4.2. БАЛЛИСТИТНОЕ ТВЕРДОЕ ТОПЛИВО

Баллиститное или двухосновное коллоидное топливо, как мы уже знаем, состоит из двух основных компонентов - нитроцеллюлозы и ТЛР. Можно считать, что нитроцеллюлоза является горючим, а роль окислителя выполняет труднолетучий растворитель, например нитроглицерин.

Вообще же эти вещества можно рассматривать как химически сбалансированные, так как в их молекулах содержится достаточно кислорода - окислителя и углеводородов - горючих веществ.

Доказательством тому являются условные формулы нитроглицерина С₃Н₅N₃О₉ и нитроцеллюлозы С₆Н₇(ONО₂)₃. Как видно из формул, относительная доля кислорода в обоих веществах достаточно высока. В этом случае собственный кислород может обеспечить протекание реакции окисления (горения) с углеродом, водородом и азотом почти до полного их окисления и образования в составе продуктов реакции окислов этих элементов.

Нитроцеллюлоза

Нитроцеллюлоза широко используется как основной компонент в процессе приготовления бездымных порохов и баллиститного ракетного топлива. Нитроцеллюлоза является сложным эфиром целлюлозы и азотной кислоты. Получается при обработке целлюлозы нагретыми растворами азотной и серной кислот. Целлюлоза - клетчатка - высокомолекулярный углевод, являющийся составной частью растительных клеток. Основным источником получения целлюлозы является древесина различных пород деревьев. Целлюлоза широко используется в промышленности для получения бумаги, спирта, искусственного волокна, пластмасс, кинопленок, бездымных порохов и ракетного топ-лива [7, 25].

Нитрирование целлюлозы - насыщение ее азотом производится в зависимости от назначения получаемого продукта. При этом различают два основных вида нитрата целлюлозы: пироксилин и коллоксилин. Нитрат, содержащий азота более 12,0%, называется пироксилином, а содержащий менее 12,0% азота - коллоксилином.

Для производства ракетных твердых топлив в основном используется коллоксилин как продукт, обладающий меньшими по сравнению с пироксилином скоростями горения.

Скорости горения пироксилина очень велики, и это позволяет рационально использовать его в артиллерии. Скорости горения коллоксилина значительно ниже, что позволяет более гибко уп-

149

равлять процессом горения и газовыделения, а следовательно, и тягой двигателя. Коллоксилин широко используется в промышленности как исходный продукт для нитролаков, кино- и фотопленки, целлулоида, пластмасс и др. По внешнему виду нитраты целлюлозы, в том числе и коллоксилин, не отличаются от обычной целлюлозы. Колоксилин имеет белый или слегка желтоватый цвет и волокнистое строение. Плотность нитратов целлюлозы колеблется в очень широких пределах и зависит от давления прессования. В рыхлом состоянии, сразу после нитрации, плотность может быть около 0,1 г/см³. После прессования под давлением в 500-600 кг/см² плотность возрастает до 1,02-1,05 г/см³. Увеличение давления до 1600 кг/см² дает плотность в 1,25-1,3 г/см³, и после прессования под давлением в 8000-10000 кг/см² плотность достигает 1,5-1,66 г/см³. В таком виде нитроцеллюлоза и идет на изготовление баллиститных ракетных топлив.

Следующим важным свойством нитроцеллюлозы является ее гигроскопичность, которая зависит от содержания азота и всегда меньше, чем у исходной целлюлозы.

Гигроскопичность обычно подсчитывается по формуле

Н= 14,6—N, (4.1)

где Н - гигроскопичность, %;

N- содержание азота в нитратах целлюлозы, %.

Нитраты целлюлозы не растворимы ни в холодной, ни в горячей воде, это свойство позволяет хорошо промывать нитроцеллюлозу после нитрации. Промывка необходима для удаления остатков азотной и серной кислот, применяющихся при нитрации. Остатки кислот крайне нежелательны в массе нитроцеллюлозы, так как потом, в процессе хранения заряда, они будут вызывать разложение нитроцеллюлозы и ТЛР (нитроглицерина).

Нитраты целлюлозы, не растворяясь в воде, хорошо раство-ряются во многих органических растворителях. Растворение на-чинается с поверхности и затем проникает в глубь массы, проис-ходит постепенный распад волокон нитроцеллюлозы на макро-молекулы, которые равномерно распределяются в растворителе 17, 40].

Концентрация раствора зависит от соотношения нитроцеллюлозы и ТЛР. Химическая стойкость нитратов целлюлозы зависит от степени нитрования, наличия примесей и особенно от условий хранения, температуры и влажности воздуха, а также освещенности места хранения. Установлено, что нитраты целлюлозы медленно разлагаются даже при нормальной температуре 15-20° С, выделяя окись азота NO, которая на воздухе переходит в двуокись NO₂ и с влагой воздуха дает азотную и азотистую кислоты по уравнению

2NO₂ + H₂OHNO₂ + HNO₃.

150

В присутствии этих кислот разложение заряда ускоряется и может закончиться вспышкой. При нагревании скорость разложения нитратов целлюлозы возрастает.

Нитраты целлюлозы являются бризантными взрывчатыми веществами, способны гореть и детонировать. На воздухе заряд может гореть без детонации. Температура вспышки нитратов целлюлозы 453-458 К (180-185° С). Детонация нитратов целлюлозы может быть вызвана ударом, прострелом пулей и другими инициаторами. Склонность к детонации заметно снижается с увеличением влажности и при 20%-ной влажности детонации обычно не наступает.

Энергетические показатели нитратов целлюлозы можно характеризовать цифрами, представленными в табл. 4.1 [7].

Таблица 4.1

Хранить нитроцеллюлозу рекомендуется в холодном, сухом помещении без доступа солнечного света, с хорошей вентиляцией. Токсичность нитроцеллюлозы незначительна.

Вторым основным компонентом баллиститного топлива яв-ляется труднолетучий растворитель - пластификатор, выполняющий роль окислителя. Здесь опять полезно напомнить, что в двухосновном топливе оба компонента обладают достаточным запасом кислорода в своих молекулах, но в ТЛР его относительная доля больше, поэтому ТЛР можно считать окисляющим компонентом.

Все ТЛР, применяющиеся в баллиститных ракетных топливах, представляют собой жидкие однокомпонентные топлива, в ряде случаев являющиеся взрывчатыми веществами, например нитроглицерин. Как правило, это эфиры азотной кислоты или нитросоединения. Все они обладают достаточно большим содержанием кислорода как окисляющего вещества.

Для характеристики ТЛР по количеству имеющегося в его составе кислорода принято использовать понятие о кислородном балансе данного продукта. Кислородным балансом принято называть процентное содержание кислорода в данном веществе по отношению к стехиометрическому количеству кислорода, необходимому для сжигания горючих элементов вещества. Основ-

151

ные физико-химические показатели некоторых наиболее часто, используемых ТЛР - пластификаторов приводятся в табл. 4.2 [7, 35, 40].

Таблица 4.2

* Температура начала разложения.

Как видно из таблицы, наибольшее значение кислородного баланса у нитроглицерина; практически для нитроглицерина собственного кислорода более чем достаточно для окисления всех горючих элементов, входящих в его состав. Этим же объясняется его исключительная склонность к взрыву и детонации.

При изготовлении баллиститного ракетного топлива предпочтительно использовать вещества с наибольшим кислородным балансом.

Необходимо подчеркнуть еще одно важное свойство указанных в табл. 4.2 веществ - это их теплопроизводительность.

Используя эти вещества в качестве жидкого одиокомпоиентнош топлива (с указанной теплопроизводительностью, нельзя ожидать, что удельный имтхульс будет более 2260—2456 м/с.

Остановимся теперь на основных эксплуатационных 1свойст-вах, представленных в таблице труднолетучих растворителей - пластификаторов.

Нитроглицерин и некоторые труднолетучие растворители

Нитроглицерин С₃Н₅(ОNО₂)₃ представляет собой прозрачную, с желтоватым оттенмом, маслянистую, довольно вязхую жидкость, почти без запаха. С возрастанием температуры до 323 К (50° С) появляется характерный запах. При застывании нитро-

152

глицерина возможно образование двух форм: лабильной с тем-пературой застывания 275,1 К (2,1° С) ,и стабильной с температурой застывания 286,2 К (13,2° С).

Нитроглицерин хорошо растворяет нитросоединения ароматического ряда (динитротолуол, тринитротолуол и др.) и нитраты целлюлозы (.пироксилин ,и, коллоксилин).

Исходными продуктами для получения нитроглицерина явля-ются глицерин .и смесь азотной и серной кислот. Нитроглицерин весьма токсичен при вдыхании паров или при попадании на кожу,. При отравлении .возникают головные боли, головокружение и затрудняется дыхание. При сильном отравлении возникают галлюцинации, маниакальный бред, паралич дыхания и смерть!

Наибольшая опасность нитроглицерина заключается в его исключительной взрывоопасности. Нитроглицерин в тонком слое и малом количестве горит зеленоватым пламенем - с небольшими вспышками, .в больших количествах (горение нитроглицерина всегда сопровождается взрывом. При быстром нагревании при температуре около 450 К (180° С) возникает взрыв, при медлен­ном нагревании температура вспышки около 488-490 К (215-217° С).

Нитроглицерин исключительно чувствителен к удару, и трению и при взрыве дает бризантный эффект. Склонен к детонации, может взрываться в результате световых импульсов и близ-кого грозового разряда.

Обладает низкой коррозионной активностью, по применению конструкционных материалов ограничений нет.

Me тиля и трат СН₃ОNО₂ - бесцветная, подвижная, интенсивно испаряющаяся жидкость. Получается при действии азотной кислоты на метиловый спирт в присутствии .мочевины.

Чувствителен к удару и очень склонен, к детонации, поэтому взрывоопасен, но менее чем нитроглицерин. В пожарном отношении опасен из-за высокой упругости паров, быстро насыщает закрытые пространства, взрывоопасен. Весьма токсичен, при вдыхании паров и попадании жидкости на кожу или в желудок вызывает головокружение, спазмы, рвоту, судороги и смерть! Обладает низкой коррозионной активностью, ограничений по применению конструкционных материалов нет.

Нитрометан CH₃NO2 - прозрачная жидкость с желтоватым оттенком. Получается нитрованием метана.

Характеристики

Список файлов книги