Твердые ракетные топлива (ТРТ)

 

2.3.1. Требования, предъявляемые к ТРТ

 

ТРТ – вещество в твердом состоянии, содержащее в своем составе все необходимые компоненты для осуществления химической реакции горения с образованием газообразных продуктов сгорания, создающих реактивную силу при истечении из РС.

Требования к ТРТ:

1. Высокие энергетические свойства (возможность достижения высокого удельного импульса тяги I за счет высокой температуры в КС Т _к и газовой постоянной R позволяют создать ракету минимальной массы).

Для сравнения ТРТ по критерию I используют стандартный I _ст., полученный при отношении .

Иногда используется критерий – сила топлива f = R Т _к, или – приведенная сила топлива f _пр = R Т _к/ n.

2. Высокая плотность – позволяет создать ракету минимальных размеров.

3. Высокие механические свойства – обеспечивают создание заряда определенной формы, способного сохранять его под воздействием нагрузок, возникающих на всех этапах эксплуатации.

Оцениваются при помощи: предела прочности σ_пр; модуля упругости Е; предельного относительного удлинения ε_пр. Так как ТРТ является полимером, то ему присущи «ползучесть» и «релаксация», то есть свойства ТРТ зависят еще и от времени действия нагрузок.

Низкий коэффициент теплопроводности λ = 0,2…0,3 (в 100 раз меньше, чем у стали) позволяет ТРТ хорошо защищать стенки КС от воздействия высоких температур Т _к зоны горения, однако это же приводит к возникновению в заряде тепловых напряжений при изменении температуры окружающей среды.

Высокая эластичность предохраняет заряд от разрушения при воздействии температурных напряжений и высоких давлений р _к в КС.

4. Химическая и физическая стабильность, необходимая для сохранения свойств заряда при длительном хранении ракеты на боевом дежурстве.

5. Равномерность состава ТРТ по объему заряда (однородность), обеспечивает неизменность характера горения в течении всего времени горения заряда.

6. Экономичность – распространенность сырья, простота технологии изготовления ТРТ.

7. Независимость свойств ТРТ от влажности, температуры, нагрузок.

8. Нетоксичность.

9. Необходимая скорость горения u =  – важнейший параметр!

Скорость горения u характеризует скорость перемещения в пространстве поверхности горения (рис. 2.5) и определяется по формуле

 

,                                             (2.3)

где: u _0.т – коэффициент, зависящий от химического состава и начальной температуры Т ₀ ТРТ; k ≈ 1,25 – показатель адиабаты продуктов сгорания (ПС) ТРТ.

От значения u зависит величина секундного массового расхода ПС

 

М _ПС = u S _гор ρ_т,                 (2.4)

 

где S _гор – площадь горения.

ТРТ делятся на двухосновные однородные (гомогенные) и смесевые (гетерогенные) топлива из разнородных физически и химически компонентов.

 

2.3.2. Двухосновные ТРТ

 

Двухосновные ТРТ (ДТРТ) – это твердые коллоидные растворы органических веществ, молекулы которых содержат как восстановительные, так и окислительные элементы.

Первая основа – нитроцеллюлоза , содержит избыток восстановительных элементов.

Вторая основа (растворитель) – нитроглицерин , содержит избыток окислительных элементов.

Стехиометрическое соотношение: 2-я основа/1-я основа = 8,75/1, но если второй основы в растворе более 15% он становится желеобразным.

Для того, чтобы двухосновное ТРТ было твердым необходимо соотношение 2-я основа/1-я основа менее 1/6,6, следовательно, главный недостаток ДТРТ – большой недостаток окислителя (низкая энергетика топлива).

Достоинствами ДТРТ являются бездымность и высокая скорость горения, что определяет область применения ДТРТ в РД авиационных ракет класса «воздух – воздух».

Недостаток – низкий удельный импульс тяги (I < 2300 м/с).

Нитроцеллюлоза изготовляется из хлопка, который является стратегическим сырьем.

 

2.3.3. Смесевые топлива (СТРТ)

 

СТРТ – это механические смеси веществ, содержащих либо преимущественно окислительные, либо преимущественно восстановительные элементы.

Состав СТРТ: 1. кристаллический окислитель;

2. полимерное горючее (связующее);

3. порошок легких металлов и их гидридов;

4. мощное взрывчатое вещество;

5. технологические добавки.

1. Соли легких металлов:

- перхлорат калия ();

- перхлорат лития ();

- перхлорат нитрония ();

- перхлорат аммония () – высокое содержание кислорода О₂ (54,45%), является наиболее распространенным окислителем.

2. Тяжелые нефтепродукты – в основном каучуки, при полимеризации связывают все компоненты и определяют механические свойства заряда СТРТ.

3. Энергетические добавки (легкие металлы или их гидриды): ; ; ; ; ;  и т.п., в количестве не превышающем 10…20%. Позволяют увеличить температуру продуктов сгорания .

4. Мощное взрывчатое вещество – гексоген (), в количестве не превышающем 16…25%, повышает энергетику заряда (  и ), является окислителем. При содержании в более 25% гексогена существенно возрастает взрывоопасность заряда из СТРТ.

Качество заряда из СТРТ в значительной степени зависит от точного соблюдения технологии его изготовления.

Этапы изготовления заряда из СТРТ:

- подбор по размерам (просеивание через сито) компонентов;

- тщательное перемешивание компонентов со связующим (полимерным горючим), находящимся в жидком состоянии;

- заливка в корпус ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ) в вакууме, для исключения образования в объеме СТРТ воздушных пузырей и несплошностей;

- полимеризация связующего (горючего) при его нагреве.

Заряд из СТРТ имеет цилиндрическую форму с центральным отверстием, по поверхности которого происходит горение, и обладает следующими механическими свойствами:

- низкая прочность (σ_пр = 1,5…5,0 МПа);

- низкая жесткость (Е = 10…20 МПа);

Высокая эластичность (ε_пр = 10…40%).

СТРТ обеспечивают создание удельного импульса тяги I ≈ 2400 м/с ишироко применяются в маршевых РДТТ стратегических ракет и конверсионных ракетоносителях гражданского назначения для вывода на орбиту ИСЗ космических летательных аппаратов (КЛА).

 

2.3.4. Механизм горения ТРТ

 

Горение ТРТ – совокупность последовательно протекающих процессов, в результате которых происходит переход топлива из твердого в газообразное состояние в результате реакции горения (рис. 2.6).

 

Зоны горения ТРТ:

1 – исходное твердое состояние (Т ₀);

2 – размягчение горючего-связки;

3 – пленка расплавленного горючего (Т _пл) с твердыми зернами окислителя и металлического порошка, испарение связки и плавление окислителя;

4 – дымогазовая зона – при Т = const заканчивается переход жидких и твердых фаз окислителя и металлического порошка в газообразную фазу в условиях интенсивной турбулизации (перемешивания);

5 – Зона пламени (собственно горение).

Особенности горения ТРТ

1. ТРТ горит только с поверхности;

2. характер и интенсивность горения определяются условиями теплообмена ПС с исходной массой ТРТ.

Факторы, влияющие на теплообмен, следовательно, скорость горения

1. Рост давления р _к в КС увеличивает интенсивность теплоотдачи к поверхности топлива, следовательно, увеличивается и.

Так как

,                                       (2.5)

 

то при уменьшении р _к горение может прекратиться, это используют для выключения РДТТ.

2. Начальная температура заряда Т ₀ определяет начальные условия прогрева ТРТ в зоне 2. При увеличении Т ₀ увеличивается

 

,                                 (2.6)

 

где: В – термический коэффициент, зависящий от состава ТРТ; Т _N – стандартная температура; и _0.N – при стандартной температуре.

3. Скорость продуктов сгорания вдоль поверхности горения W _к влияет на интенсивность конвективного подвода теплоты к поверхности горения. При увеличении W _к, увеличивается и. Однако при интенсивном росте W _к, интенсивно растет и, что может привести к эрозионному горению и взрыву.

Величина W _к = W _пр зависит от соотношения площади горении S _гор и площади поперечного сечения канала заряда F _св

 

,                                      (2.7)

 

где , поэтому

 = æ,                                  (2.8)

где æ = 150…200 (для современных зарядов ТРТ) – критерий Победоносцева (параметр заряжания).

Интенсивный рост и при эрозионном горении приводит к интенсивному росту (выделению) массового расхода продуктов сгорания М _ПС, нарушению баланса расходов М _ПС и М _кр (массового расхода ПС через критическое сечение РС), следовательно, росту давления в КС р _к и взрыву.

 

Вывод: Высокая эффективность твердотопливного заряда обеспечивается подбором состава ТРТ и жестким соблюдением допустимых режимов при эксплуатации.

 

2.3.5. Ракетный двигатель твердого топлива (РДТТ)

 

РДТТ – это РД, использующий топливо, находящееся в твердом агрегатном состоянии (рис. 2.7).

 

 

Рис. 2.7. Схема РДТТ

 

Все топливо, в виде заряда, размещается непосредственно в КС и является не только источником химической энергии, но и элементом конструкции

РДТТ.

Состав РДТТ:

1 – корпус;

2 – сопловой блок;

3 – заряд твердого топлива;

4 – теплозащитное покрытие (активное и пассивное ТЗП);

5 – воспламенительное устройство.

 

1. Корпус образует камеру сгорания и обычно является корпусом ступени ракеты. Корпус маршевого РДТТ современной стратегической ракеты (СР) выполняют в виде «кокона».

«Кокон» изготавливается способом намотки органического волокна, протягиваемого через эпоксидную композицию, на специально изготовленную болванку. Болванка, после полимеризации связующего, разрушается и удаляется из «кокона» через торцевые отверстия.

2. Сопловой блок (СБ) изготавливается из композиционного материала на основе углеродного волокна. Самое теплонапряженное место РДТТ – критическое сечение СБ обычно защищают вкладышем из пирографита, облицованного молибденом или вольфрамом (пассивное ТЗП).

СБ может крепиться к корпусу неподвижно, или на специальном шарнире (для управления вектором тяги).

3. Заряд заливается в корпус и составляет с ним единое целое, повышая жесткость корпуса, защищая его от высоких температур зоны горения, и обеспечивает заданный режим газообразования за счет сохранения постоянной площади горения S _гор, следовательно – М _ПС = М _кр,в течении всего времени работы РДТТ.

4. Тепло-защитное покрытие (активное ТЗП) предназначено для защиты элементов конструкции РДТТ от воздействия высоких температур из зоны горения. Активное ТЗП – это каучуковое покрытие днищ корпуса (горит с низкими температурами, отсекая высокие температуры из зоны горения заряда.

5. Воспламенительное устройство (ВУ) представляет собой навеску с горючим веществом, предназначенным для поджига заряда (запуск РДТТ).

6. Органы управления (ОУ) предназначены для изменения направления потока газа (вектора тяги) из двигателя. ОУ могут выполняться в виде:

- газовых рулей;

- устройства вдува газа в закритическую часть СБ;

- поворотного соплового блока.

Достоинства РДТТ:

- простота конструкции;

- нетоксичность топлива;

- отсутствие необходимости заправки ракеты при эксплуатации;

- простота и быстрота запуска;

- высокая жесткость конструкции, обеспечивающая высокие допустимые перегрузки при транспортировке, пуске ракеты и маневрах на траектории полета.

Недостатки РДТТ:

- меньший, чем у ЖРД удельный импульс тяги (меньшая энергетика твердого топлива);

- сложность управления величиной тяги;

- зависимость прочности корпуса и топлива от условий эксплуатации (температура, влажность).