Штехер М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1241539), страница 33
Текст из файла (страница 33)
Твердые топлива по сравнению с жидкими обладают большей плотностью. Среднее ее значение оценивается в пределах от 1,6 до 2,3 г/см'. Увеличение плотности топлива обеспечивает меньший габарит ракеты и, как правило, больший объемный удельный импульс. При одинаковых габаритах двигателей это условие позволяет получить несколько большую полную тягу двигателя. Так, первая ступень ракеты «Сатурн-5» имеет диаметр 1О м, длину 44,5 м и весит около 2500 т. При этом полная тяга пяти жидкостных двигателей «Рокитдайн-1» составляет около 3400 т. Такая же тяга обеспечивается двигателем твердого топлива, имеющим диаметр 6,6 м, длину 43,0 м, а масса его только 794 т.
При одинаковых габаритах твердотопливного и жидкостного двигателей на первой ступени ракеты «Сатурн-5» РДТТ имел бы тягу около 6800 т, т. е. в два раза больше, чем жидкостной. Однако, этот выигрыш в тяге и весе для РДТТ требует по ряду условий некоторой поправки и фактически снижается (61, 65, 66!. Когда требуются большие тяги и обеспечиваются большие размеры двигателей, переход на РДТТ дает заметный экономический эффект по сравнению с ЖРД. По последним расчетам США замена первой ступени ракеты «Сатурн» ступенью РДТТ диаметром 6,6 м обеспечивает снижение стоимости вывода на орбиту одинакового груза почти вдвое (65, 66!.
Помимо больших и неоспоримых достоинств у ()ДТТ есть н ряд весьма существенных недостатков, которые по взглядам иностранных специалистов прежде всего сводятся к следующему. !. Современные твердые топлива обладают на !Π— 20»1» меньшим удельным импульсом (на 1 кг топлива) по сравнению с современными жидкими топливами. 2. Большие размеры и вес двигателя очень осложняют транспортировку РДТТ, в ряде случаев этот вопрос может перерасти в проблему. 3.
С ростом диаметра камеры резко возрастает нагрузка на стенки и швы, а это ограничивает давление в камере, общий вес заряда и, следовательно, полную тягу двигателя. Утолщение стенок обеспечивает увеличение прочности, но вызывает увеличение веса двигателя. 4. Современные твердые топлива вызывают ряд трудностей по регулированию тяги и многократности действия двигателя. 5. Весьма сложной является технология изготовления, особенно для зарядов с большим диаметром и длиной 1641.
4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ Существуют два важнейших класса твердых топлив. Основой первого являются сложные эфиры азотной кислоты, такие как нитроглицерин и нитроцеллюлоза. Такое топливо принято называть двухосновным или баллиститным. Для сокращения будем обозначать эту группу буквой Б.
Основой второго топлива являются неорганический окислитель, например селитры или перхлораты, и органическое горючее, смолы, каучук нли полимеры. В ряде случаев к ним добавляются различные присадки для повышения качества топлива. Такое топливо называется смесевым, сокращенно будем обозначать его буквой С [2, 7, 401. В качестве окислителя в смесевых топливах используются естественные нитраты — калиевая или натриевая селитра или соли хлорной кислоты — перхлораты, например перхлорат аммония или лития. В качестве окислителя в баллиститных топливах использу1отся нитроглицерин, метилнитрат, нитрогликоль и другие вещества, называемые труднолетучими растворителями 1ТЛР).
Все ТЛР содержат большое количество кислорода, например, в состав нитроглицерина входит 9 атомов кислорода, его условная формула СзН~51аОд. В двух основных топливах труднолетучий растворитель является не только окислителем, но и желатинизатором или пластификатором нитроцеллюлозы. Процесс желатинизации доводит нитроцеллюлозу до коллоидного состояния; на этом основании баллиститное твердое топливо часто называют коллоидным. Процесс пластификации — желатинизации способствует размягчению ннтроцеллюлозы, получаемая при этом масса приобретает свойства формоваться под давлением. Количество введенного пластификатора — окислителя не должно быть слишком большим, в этом случае отформованный заряд не будет сохранять приданную форму из-за слишком большой размягченности.
Недостаток пластификатора приведет к созданию «сухих» зарядов, склонных к образованию трещин. Смесевые твердые топлива также пластифицируются. Роль пластификатора в этом случае обычно выполняет один из компонентов топлива, чаще всего горючее. Устойчивость формы, приданной заряду смесевого топлива, обеспечивается адгезией — свойством слнпаемости отдельных частиц окислителя и горючего, из которых состоит смесевое топ- 148 ливо.
Адгезисй должны обладать оба компонента смесевоготоплива, но обычно в большей степени адгезией обладает горючее-- компонент, являющийся в данном случае пластифнкатором. 4.2. БАЛЛ ИСТИТНОЕ ТВЕРДОЕ ТОПЛИВО Баллиститное или двухосновное коллоидное топливо, как мь уже знаем, состоит из двух основных компонентов — нитроцел. люлозы и ТЛР. ~Чожно считать, что нитроцеллюлоза является горючим, а роль окислителя выполняет труднолетучнй раствори- тель, 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 С4Н4Х40д и нитроцеллюлозы С4Нг(ОНОэ)м 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 иобразования 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 сложчым 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, кииопленок, бездымных порохов и ракетного топлива [7, 251. Нитрирование целлюлозы — насыщение ее азотом производится в зависимости от назначения получаемого продукта. Г1ри этом различают два основных вида нитрата целлюлозы: пироксилин и коллоксилин. Нитрат, содержащий азота более 12,0%, называется пироксилином, а содержагций 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- равлять процессом горения и газовыделения, а следовательно, и та~ой 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 коллоксилии, не отличаются от обычной целлюлозы. Колоксилнн 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 О,! г/см'. После прессования под давлением в 500 — 600 кг/см' плотность возрастает до 1,02 — 1,05 г/смз. Увеличение давления до 1600 кг/см' дает плотность в 1,25— 1,3 г7см', и после прессования под давлением в 8000 — 10000 кг)см' плотность достигает 1,5 — 1,66 г!см'.
В таком виде нитро. целлюлоза н идет на изготовление баллиститных ракетных топл ив. Следую1цим важным свойством нитроцеллюлозы является ее гнгроскопичность, которая зависит от содержания азота н всегда меньше, чем у исходной целлюлозы. Гигроскопичность обычно подсчитывается по формуле О= 14,6 — й1, (4. 1) где Н вЂ” гнгроскопичность, О7„ Х вЂ” содержание азота в нитратах целлюлозы, ~. Нитраты целлюлозы не растворимы ни в холодной, ни в горячей воде, это свойство позволяет хорошо промывать нитроцеллюлозу после ннтрации. Промывка необходима для удаления остатков азотной и серной кислот, применяющихся при ннтрацин.
Остатки кислот крайне нежелательны в массе нитроцеллюлозы, так как потом, в процессе хранения заряда, они будут вызывать разложение питроцеллюлозы и ТЛР (нитроглицерина). Нитраты целлюлозы, не растворяясь в воде, хорошо растворяются во многих органических растворителях. Растворениеначинастся с поверхности и затем проникает в глубь массы, происходит постепенный распад волокон нитроцеллюлозы на макромолекулы, которые равномерно распределяются в растворителе [7, 40).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
