Сарнер С. Химия ракетных топлив (1241536), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Индексы  — точка разрыва; 5 — конец линейного участка; у — предел текучести; 1, т, п — индексы; Π— начальное значение. 7.1. ВВЕДЕНИЕ Горючее-связующее в твердых ракетных топливах выполняет несколько основных функций. Оно должно связывать кристаллические вещества, используемые в смесевых топливах, и придавать топливу достаточную механическую прочность, чтобы заряд 11~ 164 7. ГОРЮЧЕЕ-СВЯЗУЮШЕЕ ТВЕРДЫХ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ топлива не разрушался при хранении и горении. Горючее-свя- зующее также влияет на реакционную способность топлива и является дополнительным горючим 1в некоторых случаях доба- вочным количеством окислителя).
7.2. ОТНОШЕНИЕ ОБЪЕМОВ ТВЕРДЫХ И ЖИДКИХ СОСТАВЛЯЮЩИХ А ~2 Рзо — Лз (7 1) В общем случае технологические качества смеси ухудшаются при увеличении отношения объема твердых составляющих Таблица 7.7 Критерии технологичности Отношение объемна твераай составашошсй к ткнткой Характеристики смеси Выше 3,5 3,0 — 3,5 2,5 — 3,0 Практически нетехнологична Имеет плохую технологичность Обладает нормальной технологичностью Обладает очень хорошей технологичностью Могут возникнуть трудности из-за усадкп 2,0 — 2,5 Ниже 2,0 Твердое ракетное топливо должно содержать достаточное количество горючего-связующего для связывания кристаллического окислителя и металлических добавок. Из-за недостаточного количества горючего-связующего смесь может быть чрезмерно зернистой или жесткой.
Следовательно, для обеспечения соответствующей технологичности топлива требуется некоторое минимальное количество горючего-связующего. При рассмотрении горючего-связующего, состоящего из полимера, полимеризующего агента, каких-либо пластификаторов или катализаторов как жидких составляющих и окислителя и металлических добавок как твердых составляющих, было получено эмпирическое соотношение, которое связывает относительные объемы твердых и жидких составляющих смеси с технологичностью.
Фактор технологичности может быть определен через отношение объемов твердых и жидких составляющих Аа или через относительный объем твердых составляющих Ам выраженный в процентах. Эти два параметра взаимосвязаны 7. ГОРЮЧЕЕ-СВЯЗУЮЩЕЕ ТВЕРДЫХ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ 165 к объему жидких. Основные критерии технологичности твердотопливных смесей, состоящих из стандартных составных частей, можно проследить по данным табл. 7.1. Возможные способы уменьшения отношения объема твердых составляющих к объему жидких включают применение чрезвычайно вязкого связующего, крайне легкой или рыхлой добавки или окислителя необычной кристаллической формы. Соотношения объемов твердых и жидких составляющих, приведенные в табл.
7.1, могут быть выдержаны только после приобретения значительного опыта по изготовлению топлива. Иногда для обеспечения максимального заполнения может потребоваться нагревание и деаэрация смеси, двух- или трехфракционное распределение по размерам частиц твердых составляющих или гранулирование компонентов. 7.3. ТИПЫ ГОРЮЧЕГО-СВЯЗУЮЩЕГО Самым первым типом топлива со связующим являлась двух- основная система. Свойства этой системы не зависят от характера отверждения полимерной системы, но зависят от способности нитрополимера (нитроцеллюлозы) поглощать и десенсибилизировать нитроглицерин. Нитроцеллюлоза образует жесткую желатинированную сетку, пластифицированную нитроглицерином.
Для предотвращения разложения используются различные добавки. На практике из-за высокой чувствительности нитроглицерина иногда применяются другие нитропластификаторы, например диэтиленгликольдинитрат, триэтиленгликольдинитрат или триметилолэтантринитрат. Нитропластификаторы могут также использоваться с полимерными отверждающимися системами, такими, как полиуретаны или полиэфиры. Ограничения на введение нитропластификаторов определяются смешиваемостью жидкостей и количеством пластификатора, которое может быть связано с полимером и удержано в сетке полимера.
Подобным образом в полимер илн в пластификатор могут быть введены группы 1А1 — Е или Π— Р. Однако эти системы, так же как и системы с нитропластификаторами, отличаются высокой чувствительностью и их избегают применять в тех случаях, когда можно использовать обычные твердые ракетные топлива. Непластифицированные системы с поперечными связями также придают твердому ракетному топливу превосходные механические свойства, и в этом случае нет тенденции к удалению из связки «несвязанного» пластификатора. Последнее может вызвать деструкцию твердых ракетных топлив при длительном хранении или в условиях разрежения. 166 т. ГОРючее-сВязующее тВеРдых РАкетных тОплиВ Таблица 7.2 Обычные типы полимеров Мовоиервое звено Полимер Полиэтилен О О ~! !! — Π— (СНЗ)„— Π— С вЂ” МН вЂ” (СНэ)„— Мн — С— Π— (СН ) — С вЂ” О— 1( — СН,— СН=СН вЂ” СН,— СН, — СН,— С— СНЗ С( — СН,— СН— — СН,— СН— СН Полиуретан Полиэфир Полибутаднен Полииэобутилен Поликлорвинил Полиакрнлоннтрпл — (СНэ)э — Π— СНэ — Π— (СН,),— 5 — 8— — (СН,),— Π— СН,— Π— (СН,),— Б — 6— Этилформальполисульфнд Бутилформальполисулырид Политетрафтор- этилен — сг — сг— Обычные полимеры, образующие системы с поперечными связями, приводятся в табл.
7.2. Первым нз этих полимеров в качестве горючего-связующего для твердых ракетных топлив использовался этилформальполисульфид марки тнокол ОТ. Позднее были получены бутилформальные и другие полисульфиды. Преполнмерами являются дифункциональные меркаптаны. Они могут быть полимеризованы далее путем окисления до связей — Й вЂ” Ь вЂ” Π— К вЂ” с помощью окислов металлов, органических перекисей или парахинондиоксима с восстановлением полимеризующего агента и последующим отщеплением кислорода действием оксима или воды с помощью окислов. Необходимо принять особые меры для предотвращения образования газовых включений или для удаления образовавшейся воды.
7 ГОРЮЧЕЕ.СВЯЗУЮШЕЕ ТВЕРДЫХ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ 167 Значительным шагом вперед было использование полиуретанов, которые образуют конденсационные полимеры без выделения воды или газов. Отверждение происходит в результате реакции между диизоцианатом и гликолем О 11 7Т(ХСО) + 7Т'(ОН), НО(7Т'ОСИНГТ) ИСО, (7.2) которая может затем продолжаться до завершения полимеризации. Система не должна содержать воды, чтобы не происходили деструкция, побочные реакции и чрезмерное образование поперечных связей. К третьему основному типу обычно используемых отверждающихся систем относятся полибутадиены с концевой карбоксильной группой или системы бутадиен — акриловая кислота.
С окисью двухатомного радикала (эпоксидными соединениями) протекает реакция полимеризации О О ЯР Я77 ! КСООН+ Я' — СН вЂ” СН вЂ” 7х" 7ТС вЂ” Π— СН вЂ” СН вЂ” ОН. (7.3) Полимер может быть также отвержден с помощью полифункциональных иминов. Системы такого типа наиболее близки к чистым углеводородам и поэтому имеют высокие теоретические характеристики. Эти системы обладают очень хорошими механическими свойствами.
Оксикислоты могут отверждаться с образованием полиэфира по реакции 2НΠ— 7т — СООН вЂ” НΠ— СООТà — СООК вЂ” Н+ Н,О. (7А) Вновь возникает проблема удаления воды. Высокое содержание кислорода в полимерах, имеющих связи С вЂ” О, нежелательно с точки зрения обеспечения высокой удельной тяги, однако полиэфиры широко применяются в составе топлив для газогенераторов. Для таких топлив основное требование состоит в получении низкотемпературных продуктов реакции, а обеспечение высоких энергий необязательно.
Кроме того, высокое содержание кислорода препятствует образованию твердого углерода в продуктах сгорания (твердые частицы затрудняют использование полученных газов для привода турбины или другой подобной системы). Существует также возможность прямой полимеризацнн углеводорода посредством цепных реакций, инициированных 168 7.
ГОРЮЧЕЕ-СВЯЗУЮЩЕЕ ТВЕРДЫХ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ свободными радикалами, как в случае образования полиэтилена. Однако этот способ не нашел широкого применения из-за образования продуктов с низкими механическими свойствами. 7.4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОР(СТВА Для прогнозирования механической целостности заряда твердого ракетного топлива после снаряжения двигателя необходимы некоторые данные о механических свойствах наполненных полимеров, которые входят в состав горючего твердых ракетных топлив. Механические свойства характеризуются деформацией материала под действием приложенных к нему нагрузок.
Обычно для описания механических свойств материала применяют три вида нагружения; растяжение, сдвиг и всестороннее сжатие. 7.5. ИСПЫТАНИЯ НА ОДНООСНОЕ РАСТЯЖЕНИЕ При испытаниях на растяжение сила прикладывается вдоль продольной оси образца в виде стержня. Образец длиной /., прн растяжении удлиняется на величину Л/., так что длина после растяжения становится равной Л. Отношение силы растяжения к площади поперечного сечения образца, к которой она приложена, называется напряжением растяжения о. Отношение Л/./1.В называется относительным удлинением В. Относительное удлинение иногда выражается также в виде Л/.//., )и (/.//.Р), '/з]/.//.ю — (/.Р/й)']. Величина !п (/./1,0) иногда называется истинной деформацией, а третье определение следует нз кинетической теории упругости каучука [3].
В дальнейшем относительное удлинение будет определяться как Л/,//.В Все эти определения практически равноценны при бесконечно малых деформациях, но существенно различны при больших деформациях. Для идеально упругих однородных изотропных материалов напряжение и относительное удлинение связаны законом Гука (7.5)  — — ЕВ, согласно которому между напряжением растяжения и относительным удлинением существует линейная зависимость.
Величина Е называется модулем Юнга, она равна тангенсу угла наклона прямой о/ Ее относительно оси абсцисс. Один из наиболее известных и полезных методов анализа механических свойств полимера заключается в построении диаграммы Π— В (фиг. 7.!). На начальном участке зависимость Π— В линейна, что свидетельствует об упругих свойствах материала. 7. ГОРЮЧЕЕ-СВЯЗУЮЩЕЕ ТВЕРДЫХ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ 169 С увеличением нагрузки материал перестает подчиняться закону Гука и начиная с некоторой точки зависимость о — е становится нелинейной.
Напряжение и относительное удлинение в этой точке обозначаются соответственно ан и ен. Для наполненных полимеров эта точка соответствует моменту разрыва поверхностных связей между горючим-связующим и твердыми составляющими. При дальнейшей деформации образца кривая может пройти через точку максимального напряжения оу и затем продолжаться до момента разрушения. Обычно механические свойства твердых ракетных топлив характеризуются дтнееительнее удлинение Е Ф и г. 7.1. Диаграмма напряжение — относительное удлинение для твердых ракетных топлив.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
