Смесевые твердые ракетные топлива

Движение ракет осуществляется за счет реактивной силы, возникающей при отбросе массы газообразных продуктов, обра­зующихся при сгорании топлива в двигателе ракеты. В качестве топлива в твердотопливных двигателях используются смеси ти­па дымного, баллиститного пороха и различного состава смесе-вые ракетные топлива. Дымный и баллиститный пороха рас­смотрены в соответствующих разделах. Настоящий раздел по­священ знакомству со свойствами и основами технологии про­изводства смесевых твердых ракетных топлив (СТРТ).

Смесевое твердое ракетное топливо представляет многоком­понентную систему, основными составляющими которой явля­ются окислитель и горючее. Помимо основных компонентов, в СТРТ вводятся добавки различного назначения (катализаторы, стабилизаторы, ускорители горения, отвердители и т.п.).

Наиболее широкое применение в качестве окислителя в СТРТ нашел перхлорат аммония (ПХА), который разлагается с образованием только газообразных продуктов, выделяя при этом на каждую молекулу 2,5 атома активного кислорода.

Перхлорат аммония - белое кристаллическое вещество, ма­логигроскопичное, он безопасен в обращении в чистом виде, но в смеси с органическими соединениями представляет взрывча­тое вещество. ПХА химически не агрессивен к горюче-связующим. Применение ПХА позволило создать СТРТ с еди­ничным импульсом до 250-252 кг-с/кг.

Существенный шаг в разработке высокоэнергетического топ­лива был сделан после открытия в 1971 г. советскими учеными нового высокоактивного окислителя - аммониевой соли нитра-зовой кислоты [NH4*N(NO2)2]. На базе этого окислителя созданы более эффективные СТРТ, которые уже в 1983-1984 гг. были приняты на вооружение Советской Армии в составе ракетных комплексов стратегического назначения.

В качестве горючего в СТРТ используются высокомолеку­лярные соединения: смолы (эпоксидные, карбамидные, фенол-форм альдегидные и т.п.) и каучуки (натуральный, уретановый, бутадиеновый, бутадиен-стирольный, изобутадиеновый, тио-

кольный и др.).

Горючее в составе СТРТ выполняет двойную роль. Во-первых, это истинное горючее, которое под действием активного кислорода окислителя сгорает до газообразных продуктов СО, СОз и Н20(_ПАР) и обеспечивает образование реактивного эффекта. Во-вторых, оно выполняет роль связки, которая связывает все составляющие в единую топливную массу и придает ей необхо­димые механические свойства (прочность, эластичность, упру­гость). В связи с выполняемой двойной ролью органическая со­ставляющая получила и двойное название: горюче-связующее

вещество (ГСВ).

Кроме органического, в состав СТРТ вводится металлическое горючее в виде порошкообразного алюминия (реже - магния). Основная роль металлического горючего сводится к повышению температуры и теплоты горения, способствуя тем самым нагреву до более высокой температуры газообразных продуктов сгора­ния органического горючего и повышая энергетику топлива. Однако при горении металлов образуются конденсированные частицы (оксиды металлов), что при значительном их содержа­нии отрицательно сказывается на общем объеме газообразных продуктов. Поэтому содержание металлического горючего должно находиться в определенных оптимальных пределах.

Обычно содержание различных функциональных состав­ляющих топлива находится в следующих пределах: 65-83% окислителя, 10-29% горюче-связующего (вместе с отвердителем), 5-18% металлического горючего и до 5% других добавок.

Смесевые ТРТ по своим свойствам относятся к взрывчатым материалам. Они способны детонировать при возбуждении мощным детонатором со скоростью детонации 2500-3000 м/с. '

По чувствительности к механическим воздействиям СТРТ нахо­дятся на уровне обычных бризантных ВВ (тротила - тетрила). Поэто­му при производстве и переработке СТРТ должны соблюдаться такие же правила безопасное, как и при работе с БВВ.

Высокие требования предъявляются к СТРТ по стабильности и, в первую очередь, по сохранению физико-механических свойств: эластичности, упругости топлива, отсутствию старения полимера. Появление при недостаточной стабильности трещин в массе заряда ТРТ, отслоений от корпуса, других явлений, вызы­вающих нарушение целостности топливного заряда, приводит к изменению баллистических свойств и, следовательно, к сниже­нию или потере боевых качеств ракеты.

Производство СТРТ имеет принципиальные отличия от ранее рассмотренных технологий ВМ. Дело в том, что топливная масса (ТМ) не подлежит хранению, поскольку в процессе изготовления в ее состав вводятся соответствующие отвердители, которые ог­раничивают время жизни массы в вязкотекучем состоянии. По­этому ТМ сразу же после приготовления должна заливаться в корпус ракетного двигателя (РД) или соответствующую форму при блочном комбинировании заряда РД.

Технологический процесс производства СТРТ включает сле­дующие основные стадии:

· подготовку исходных твердых и жидких компонентов;

· подготовку топливной массы (смешивание компонентов);

· формование зарядов;

· отверждение топливной массы;

· контроль качества заряда СТРТ.

В связи с большим разнообразием ракет, отличающихся друг от друга размерами, конструкционными особенностями, такти­ческими параметрами, решаемыми задачами и целым рядом иных признаков, существуют соответственно и СТРТ различно­го рецептурного состава. Производство такого разнообразия СТРТ, при принципиальном сохранении общей технологической схемы, имеет существенные отличия по аппаратурному оформлению и способам выполнения отдельных операций. Наибо­лее унифицированы стадии подготовки компонентов (твер­дых и жидких), отверждения зарядов и контроля качества.

Стадия подготовки компонентов имеет две технологические ветви. По первой из них готовятся порошкообразные компонен­ты. Подготовка порошкообразных компонентов (окислитель и твердые добавки) сводится к сушке, рассеву, измельчению, сме­шиванию окислителя с добавками в требуемом соотношении. Это типовые операции и выполняются они при использовании обычного оборудования. Так, измельчение проводится в струй­ных (рис. 7.6), струйно-вихревых и других мельницах.

Струйные мельницы применяются для топкого и сверхтон­кого помола.

Материал подается в зону измельчения, куда через сопла встречными потоками поступает сжатый воздух. Частицы ма­териала, увлекаемые струями воздуха, в месте встречи воздуш­ных потоков (в помольной камере) сталкиваются с большой скоростью и измельчаются. Воздух в помольную камеру пода­ется с давлением 4-8 атм. Смесь измельченного материала с воздухом направляется в сепарационную камеру, размещенную на центральной трубе. Крупные частицы отделяются от мелких и по рукавам питания вновь поступают в зону измельчения. Мелкие через верхний штуцер идут в циклон для отделения от воздуха.

Для смешивания твердых компонентов используются ме­ханические корытообразные дифференциальные смесители со шнековыми мешалками (см. рис. 7.3) и вихревые смесите­ли (рис. 7.7), имеющие неподвижный барабан, внутри кото­рого вращается ротор в виде вала с закрепленными на нем по винтовой линии мешалками типа сдвоенных лемехов.

Вторая технологическая ветвь на стадии подготовки ком­понентов предназначена для получения смеси жидких ком­понентов с металлическими горючими и добавками (пласти­фикаторы и др).

 

 

Индивидуальные компоненты перед смешиванием сушатся, подвергаются вакуумированию, дозируются.

Смешивание компонентов при работе с легкоподвижным жидким горюче-связующим производится в обычном цилиндрическом аппарате с механической мешалкой. При работе с высоковязким горюче-связующим смешивание ведется в аппарате, состоящем из корпуса с рубашкой для обогрева и двух 2-образных меша­лок., вращающихся навстречу друг другу (см.рис. 7.4).

Подготовка топливной массы выполняется путем смешива­ния твердого и жидкого компонентов, полученных на предыду­щей стадии. Назначение стадии подготовки топливной массы заключается в получении однородной массы с требуемыми лить­евыми свойствами.

Смешивание компонентов при подготовке легкоподвижной ТМ проводится в смесителе контейнерного типа (см. рис. 7.1 а) или в смесителе с планетарно работающими мешалками (см. рис. 7.5).

Высоковязкие составы смешиваются в смесителях с Z-образ­ными мешанками (см. рис. 7.4.).

По окончании смешивания ТМ подвергается вакуумирова-нию с целью удаления газовых включений.

Формование зарядов про­водится различными способа­ми в зависимости от характера ТМ:

1. ТМ малой вязкости и хорошей текучести формуется методом свободного литья (рис.7.8). В этом случае ТМ в камеру РД или форму поступа­ет под действием собственной массы.

2. ТМ повышенной вязко­сти формуется методом литья под давлением, при котором масса подается в форму за счет избыточного давления, создаваемого сжатым газом (рис. 7.9).

3. ТМ, обладающая высокой вязкостью, нагнетается в форму или корпус РД шнек - прессом. После заполнения формы или корпуса РД производится от­верждение с целью перевода ТМ из жидкотекучего в твердо-упрутое состояние, присущее топливу.

В зависимости от химической природы связующего компонента процесс отверждения строится по двум вариантам. Для термопла­стичных горюче-связующих (например, типа битума) отверждение производится охлаждением по­ступившей со стадии мешки горячей ТМ.

Термореактивные полимеризующиеся связки и отверждаю-щиеся мономеры и олигомеры стадию мешки проходят при уме­ренных температурах, а отверждение идет в течение 60-70 часов в термокамерах при нагреве до 70-80 °С.

Полученные топливные блоки или заряды топлива в камерах РД первоначально подвергаются визуальному контролю, а затем контролю с помощью приборов, работающих на принципе излучения р-, у—или рентгеновских лучей.

 

 

Бездымные пороха

Бездымные или коллоидные пороха - это многокомпонент­ные смеси, которые в процессе производства превращаются в коллоидные системы.

БП представляют химический источник энергии, предназначенный для метательных целей в стрелковом оружии, ствольной и ракетной артиллерии, минометах, гранатометах.

Главным компонентом БП являются нитраты целлюлозы, выполняющие роль энергетической и механической основы. В связи с этим все БП объединяются под общим названием - нит-роцеллюлозные пороха.

Другим непременным компонентом БП является раствори­тель, который в процессе производства пластифицирует нитро­целлюлозу, обеспечивая образование гелеобразной, коллоидной массы.

В пороходелии находят применение растворители различных видов; летучие, труднолетучие, нелетучие, смешанные. Летучие растворители (обычно смесь этилового спирта с диэтиловым эфиром) являются технологическими компонентами, которые почти полностью удаляются в процессе производства. Они не оказывают влияния на энергетику пороха.

Труднолетучие растворители, к которым относятся тринитрат глицерина (НГ), динитрат диэтиленгликоля и подобные им со­единения, являются энергетически активными веществами. Это рецептурные компоненты, которые выполняют и роль пласти­фикатора, и роль составной части готового пороха.

К нелетучим растворителям относятся нитроароматические соединения.

Смешанные растворители состоят из летучего и труднолету­чего растворителя (например, смесь ацетона с НГ в производстве кордитных порохов).

В зависимости от характера растворителя БП подразделяются на основные виды:

1. Пироксилиновые пороха или пороха на летучем раствори­теле. Основными энергетическими компонентами являются сме­си пироксилина №1 и пироксилина №2. В качестве растворителя применяется смесь этилового спирта и диэтилового эфира. В этой смеси растворяется ПКС №2 и в его растворе происходит набухание (пластификация) ПКС №1. При механической пере­работке пороховая масса гомогенизируется.

2. Баллиститные пороха (баллиститы) или пороха на трудно­ летучем растворителе. В качестве основы используется низко­ азотная нитроцеллюлоза - коллоксилин, а в качестве раствори­теля - НГ или динитрат диэтиленгликоля. В зависимости от вида растворителя пороха называют также нитроглицериновыми или динитрогликолевыми.

3. Пороха на смешанном растворителе. К ним относятся кордиты и эмульсионные пороха. Кордиты готовятся из высоко­ азотной нитроцеллюлозы и смешанного растворителя, состояще­
го из НГ и ацетона. Ацетон удаляется из состава пороха при тех­нологической переработке пороховой массы.

Из пороков на смешанном растворителе большой интерес представляют эмульсионные или сферические пороха, которые нашли применение для стрелкового оружия. В состав пороха входят энергетические составляющие ПКС и НГ. Летучим рас­творителем является этилацетат. ПКС, НГ и другие компоненты растворяются в этилацетате. Далее в водной среде при интен­сивном перемешивании образуется водная эмульсия, представ­ляющая капельки этилацетата с растворенными в них компонен­тами пороха. Эмульсия нагревается и из нее испаряется летучий растворитель, а пороховая масса формуется в виде мелких сфер, которые отделяются от маточной воды и подвергаются техноло­гической доработке.

По внешнему виду пироксилиновые пороха напоминают ро­говидную массу серовато-зеленого цвета, нитроглицериновые -коричневого цвета. Мелкие пороха для ручного оружия подвер­гаются графитовке и представляют собой мелкие зерна или пла­стинки черного цвета.

Характерной особенностью коллоидных порохов является способность гореть параллельными слоями, что позволяет управлять процессом горения и нарастания давления в канале ствола.

В табл. 7.3 приведен ориентировочный состав нитроцеллю-лозных порохов.

Таблица 7.3 - Ориентировочный состав нитроцеллюлозных порохов

Бездымные пороха имеют плотность около 1,6 г/см³, проявляют способность детонировать при соответствующем инициирующем импульсе (скорость детонации составляет 6500-7500 м/с), обладают высокой чувствительностью к механическим воздействиям (чувст­вительность к удару на уровне 40-80%).

Технологический процесс получения пироксилинового орудйного пороха (рис. 7.10) включает следующие операции: обезвоживание (подготовка сырья), смешивание ПКС со спиртоэфирным растворителем и другими компонентами, прессование, предварительное провяливание шнуров, резку шнуров, второе провяливание, сортировку, вымочку, сушку, увлажнение, составление малых и общих партий, укупорку. Кроме перечисленных операций, в зависимости от марки по­роха, вводятся операции флегматизации и графитовки.

Пироксилин на производство пороха поступает с влажностью 25-30%. Удаление влаги (обезвоживание) проводится предло­женным Д.И.Менделеевым методом - вытеснением спиртом в центрифуге 1. Спирт вытесняет воду до 2-4%влажности и одно­временно очищает ПКС от оставшихся примесей.

Обезвоженный ПКС, спиртоэфирная смесь, дополнительные ингредиенты, согласно рецептуре пороха, помещаются в аппа­рат-смеситель, представляющий цилиндрическую емкость с ло­пастной мешалкой, и перемешиваются 30-40 минут при 15-20°С. В процессе перемешивания происходит набухание и обра­зование однородной пластической массы, которая далее посту­пает на гидравлический пресс 5 и продавливается через филье­ры. При этом происходит дальнейшая пластификация ПКС и уп­лотнение.

В настоящее время разработано высокопроизводительное не­прерывное оборудование, в одном агрегате которого совмещены операции смешивания и прессования. Перемешивание и прессо­вание в агрегате производится в шнековом устройстве.

Полученные при прессовании пороховые шнуры содержат до 40% спиртоэфирного растворителя. Перед резкой для придания определенной прочности шнуры подвергаются предварительно­му провяливанию, при котором удаляется около 5% растворите­ля. Провяливание заключается в просушивании шнуров при 20-30°С в течение 24-48 ч. После резки порохового шнура на труб­ки определенной длины проводится второе провяливание, при котором удаляется спиртоэфирная смесь до содержания 35%. Затем следуют вымочка в бассейне (вытеснение спиртоэфирной смеси до содержания 1-5%), сушка и операция составления мел­ких и общих партий, цель которой заключается в усреднении свойств пороха.

Производство баллиститных порохов, принципиальная схема которого показана на рис. 7.11, включает стадии подготовки ис­ходных компонентов, смешивания компонентов и варки порохо­вой массы, термомеханической обработки пороховой массы, формования пороховых элементов, окончательной обработки порохов.

Подготовка компонентов проводится так же, как и при произ­водстве пироксилиновых порохов. Смешивание и варка порохо­вой массы осуществляются в водной среде при механическом перемешивании. Все компоненты легко сорбируются нитроцел­люлозой и обеспечивают ее набухание.

Водная среда снижает опасность при смешивании. Варка ве­дется в варочном котле 1 при 50-60°С. После варки вода отжи­мается от пороховой массы на центрифуге 2 до влажности 25-30%. Окончательная пластификация пороховой массы проводит­ся при термомеханической обработке, заключающейся в много­кратном пропускании через нагретые до 85-90°С вальцы. Вода при вальцевании испаряется, а пороховая масса гомогенизирует­ся и поступает на стадию формования, где пороху придается за­данная геометрическая форма и размеры. Далее порох усредня­ется (путем получения мелких и общих партий) и идет на окон­чательную обработку (фасовку, укупорку и т.д.).

Производство баллиститного пороха отличается от производ­ства пироксилиновых порохов значительно меньшей продолжи­тельностью и более простой технологией. Кроме того, сами по себе баллиститные пороха имеют определенные преимущества перед пироксилиновыми - они характеризуются более широки­ми пределами энергетических показателей, а высокая эластич­ность позволяет изготовлять пороховые элементы с большей толщиной горящего слоя.

На основе баллиститных рецептур кроме артиллерийских по­рохов изготовляется также топливо для ракетных снарядов. Так, легендарные ракетные установки «Катюша» работали на бапли-ститном твердом топливе, производство которого по технологии не отличалось от порохового производства. Правда, в связи со значительно отличающимися условиями эксплуатации (низкие давления при горении), в рецептуру твердого топлива балли-ститного типа включались катализаторы горения (оксид свинца, карбонат свинца и др.), стабилизаторы горения (оксид магния, диоксид титана, карбонат кальция и т.п.), усилители пластифи­кации (вазелин, стеарат цинка, динитротолуол и т.д.).

В табл. 7.4 приведены в качестве примера рецептуры некото­рых баллиститных порохов и ракетного топлива.