книги / Термодинамическое проектирование баллиститных артиллерийских порохов и твердых ракетных топлив
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Пермский государственный технический университет
Г.А. Васильева, Д.Д. Талин
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
БАЛЛИСТИТНЫХ АРТИЛЛЕРИЙСКИХ ДОРОХОВ
И ТВЕРДЫХ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ
Утверждено Редакционно-издательским советом
университета в качестве учебного пособия
Пермь 2004
УДК 662 В19
Рецензенты:
канд. техн. наук В.И. Кукарников (НИИПМ); канд. хим. наук В.С. Сухинин (ПГТУ)
Васильева Г.А., Талин Д.Д.
В19 Термодинамическое проектирование баллиститных артиллерийских порохов и твердых ракетных топлив: Учеб, пособие / Перм. гос. техн. ун-т. - Пермь, 2004. - 39 с.
Изложены основы теории термодинамической компоновки составов взрывчатых веществ, порохов и твердых ракетных топлив. Приведена методика термодинамического расчета их энергетических характеристик при помощи про граммного комплекса на ПЭВМ.
Объем материала соответствует курсу «Физико-химические свойства взрывчатых веществ, порохов и твердых ракетных топлив» основной образова тельной программы подготовки дипломированного специалиста по специально сти «Химическая технология полимерных композиций, порохов и твердых ракет ных топлив» (251200).
УДК 662
О Пермский государственный технический университет, 2004
ВВЕДЕНИЕ
Порох представляет собой уникальный вид энергии, сконцентриро ванный в виде твердого тела. Пороха способны к устойчивому закономер ному горению без доступа извне кислорода воздуха или других окислите лей с выделением значительного количества тепла и газообразных продук тов. Основными энергетическими характеристиками порохов являются удельная теплота их сгорания Q и удельное количество газообразных про дуктов горения W0, приведенное к нормальным условиям. Работоспособ
ность порохов, используемых в артиллерии и стрелковом оружии, оцени
вают силой пороха / |
Энергетика ракетных порохов характеризуется вели |
чиной единичного импульса 1\. |
|
Силой пороха / |
называется работа, которую могли бы совершить |
газообразные продукты горения 1 кг пороха, расширяясь под атмосфер
ным давлением (760 мм рт. ст.) при нагревании их от 0 до температуры горения Т\\
/ = RT\=paW\T\l 273,
где /?а - атмосферное давление, W\ - объем газообразных продуктов го рения 1 кг пороха, Т\ - температура горения пороха при постоянном объе
ме. Сила современных артиллерийских баллиститных порохов (АБП) со
ставляет 961... 1187 кДж/кг при температуре продуктов горения 2474.. .3400 К.
Удельный импульс твердых ракетных топлив (ТРТ) показывает, ка кую тягу может развить ракетный двигатель при сгорании в нем 1кг пороха в 1 секунду. Уровень удельного импульса баллиститных ракетных топ лив (БРТ) - 180...250 кгс-с/кг при температуре продуктов горения в камере 2198.. .3863 К.
Обычно чем больше Q и Wo, тем больше значения/и 1\
з
Одним из основных направлений повышения тактико-технических характеристик ракетного и артиллерийского оружия является создание твердых ракетных топлив и артиллерийских порохов с повышенными энер гетическими характеристиками. Повышение значений силы АБП и удель ного импульса баллиститных ракетных топлив (БРТ) возможно за счет ис пользования в их составах новых, более эффективных компонентов, обла дающих повышенными энергетическими характеристиками с одновремен ной оптимизацией составов порохов и топлив.
Основными этапами разработки новых рецептур порохов и топлив являются следующие:
1.Разработка технических требований к порохам и ТРТ.
2.Выбор компонентов, способных обеспечить выполнение техниче ских требований.
3.Термодинамическое проектирование порохов и ТРТ.
4.Выбор базовой рецептуры.
5.Изготовление опытных образцов и исследование их свойств.
6.Корректировка состава с учетом результатов исследований.
7.Изготовление укрупненного образца и исследование комплекса его свойств. При необходимости производится корректировка состава.
8.Изготовление опытных партий и изучение свойств в соответствии
снормативными документами.
9.Паспортизация.
Целью данного пособия является отработка навыков будущих инже неров специальности 251200 в выполнении работ по термодинамическому проектированию (3-й этап) рецептур баллиститных артиллерийских поро хов и ракетных топлив.
1. ПОРОХА И ТРТ БАЛЛИСТИТНОГО ТИПА
Баллиститные артиллерийские пороха (АБП) и твердые ракетные то плива (БРТ) имеют широкую сырьевую базу основных компонентов. Про мышленная технология АБП и БРТ отличается мобильностью, универсаль ностью, малым временем технологического цикла, позволяющим опера тивно переходить с одной номенклатуры зарядов на другую. Баллиститные пороха (БП) негигроскопичны, не содержат летучих компонентов и просты в изготовлении. Все это предопределило приоритетность этого типа поро ха перед другими в артиллерийских выстрелах для танковых пушек и ра кетного топлива в системах залпового огня, противотанковых, авиацион ных и других ракетных двигателях на твердом топливе (РДТТ).
Ввиду большого многообразия баллиститных порохов, отличающих ся по энергетическим, баллистическим, физико-механическим, взрывчатым и целому ряду других характеристик, не существует строгой общепринятой классификации БП. Чаще всего их разделяют на группы с учетом назначе ния или основных свойств (энергетических и баллистических).
Артиллерийские баллиститные пороха. Современные артиллерий ские пороха - одноосновные и двухосновные - относятся к классу бездым ных и используются в ствольной артиллерии (полевая, танковая, противо танковая, морская, авиационная) в качестве метательных зарядов. Недоста точная энергетика одноосновных (пироксилиновых) порохов, сложная и трудоемкая технология их изготовления не позволяют увеличить мощь со временных артиллерийских систем, что потребовало разработки более мощных двухосновных артиллерийских баллиститных порохов.
АБП изготавливаются на основе нитроклетчатки (коллоксилин, пи роксилин) и труднолетучих пластификаторов (нитроглицерин, диэтиленгликольдишпрат), поэтому их называют двухосновными. С целью снижения разгарно-эрозионного воздействия на канал ствола орудия, вызываемого
высокой парциальной температурой выгорания нитроглицерина (НГЦ), в АБП вводят дополнительные пластификаторы, резко снижающие темпера туру продуктов горения. В качестве таких пластификаторов используются динитротолуол, дибутилфталат и другие энергетически инертные пласти фикаторы. Для обеспечения повышенных энергетических характеристик в составы порохов вводят такие мощные взрывчатые вещества, как гексоген, октоген, Ц-2.
При компоновке АБП ограничением является температура продуктов горения, которая не должна превышать 3500 К во избежание резкого сни жения живучести ствола. Достижение высокой величины силы пороха при минимально возможной температуре горения - основной принцип компо новки АБП.
Химический состав и основные характеристики АБП приведены в табл. 1 приложения.
Низкотемпературные и медленногорящие топлива (НДТ-ОМК, РСК-6К, СТЛ-4М, НДП-5А) для газогенераторов, пороховых аккумулято ров давления и других РДТТ вспомогательного назначения должны обла дать пониженными температурой (1400... 1800 К) и скоростью горения. Наряду с основными компонентами они содержат ингибиторы горения (СФД, ПММА, у-полиоксиметилен, триацетат целлюлозы), разлагающиеся в области температур конденсированной фазы горения топлива с эндотер мическим эффектом.
Ракетные топлива среднего энергетического уровня (Н, НМФ, ти па РСИ, ВИК-2Д, типа НДСИ) обладают единичным импульсом 1Х= = 202...226 кгс с/кг и повышенной зависимостью скорости горения от дав ления и температуры (п * 0,5).
Ракетные топлива с уменьшенной зависимостью скорости горе
ния от давления (типа РСТ, РНДСИ, РБФ, типа БМС и др.). Для улучше
ния баллистических характеристик и регулирования скорости горения (о = 0,1...0,3) в состав топлив вводятся комплексные катализаторы горе ния, в качестве которых используются как смеси неорганических окислов и солей свинца, меди, кобальта, кадмия, так и сложные органические ком плексы соединений свинца, меди, никеля и др. Наиболее эффективно при менение комбинированной катализирующей системы.
Высокоэнергетические ракетные топлива (типа РАМ, РТГ-25, БНЛ, БТ и др.). Для увеличения энергетических свойств топлива (/i«240...250 кгс'с/кг) применяются мощные кристаллические взрывчатые вещества (гексоген, октоген), порошкообразные металлические горючие (сплавы Al-Mg).
Высокоэнергетические ракетные топлива с уменьшенной зависи
мостью скорости горения от давления (типа РДГ, БКГ-2Ф, РДМ и др.). Содержание в высокоэнергетических топливах кристаллических ВВ и ме таллических горючих накладывает особенности на процесс горения. Сни жение зависимости скорости горения от давления U(P) в таких топливах достигается введением в их состав сложных органических комплексов свинца и меди или комбинированных катализаторов неорганической при роды (особенно в сочетании с сажей).
Плазменные топлива имеют более высокую, чем ракетные топлива (в 10000 раз), электропроводность продуктов сгорания за счет содержания
всоставе ионизирующей добавки, преимущественно азотнокислых солей калия и цезия, и более высокую температуру продуктов сгорания (свыше 3800 К), что объясняется высоким содержанием кислорода в составе и го рением высокотеплотворных металлов. Такие топлива находят применение
вимпульсных магнитно-гидродинамических генераторах в качестве источ
ника рабочего тела.
Беспламенные топлива (БНК, БНК-В, БНК-Р и Б-19К) применяются в авиационных ракетах, где наличие пламени за соплом ракетного двигате ля способствует попаданию в воздухозаборники двигателей самолета газов с высокой температурой, что приводит к помпажу (срыв газодинамической устойчивости компрессора) и неустойчивой работе, вплоть до остановки двигателя. Снижение пламеобразования за соплом ракетного двигателя достигается в результате введения специальных добавок (соединений I группы периодической системы), ингибирующих цепные реакции доокисления углерода и водорода в пороховых газах на воздухе.
Химический состав и термодинамические характеристики основных типов современных баллиститных ТРТ приведены в табл. 2 приложения.
2. КОМПОНЕНТЫ БАЛЛИСТИТНЫХ ПОРОХОВ
Основой баллиститного пороха является нитроцеллюлоза (НЦ), представляющая собой рыхлую массу, которая легко воспламеняется и может гореть в инертной среде (в том числе и внутри по порам). Скорость горения очень велика, горение легко переходит во взрыв. Для предотвра щения нежелательных эффектов НЦ желатинируют, растворяя в соответст вующих растворителях, число которых ограниченно: ацетон, спиртоэфир ная смесь, нитроглицерин, нитродигликоль, динитротолуол, дибутилфталат, диэтилфталат и некоторые другие.
Баллиститные пороха представляют собой гомогенные системы, яв ляющиеся пластифицированными и уплотненными нитратами целлюлозы. Для изготовления баллиститных порохов применяется низкоазотная НЦ (коллоксилин марки Н с содержанием азота 11,8... 12,3%). Характеристики НЦ с различной степенью этерификации приведены в табл. 3 приложения.
В качестве основных пластификаторов применяются нитроглицерин (НГЦ), диэтиленгликольдинитрат (ДНДЭГ) или их смесь. В низкотемпера
турных порохах может использоваться динитрат триэтиленгликоля (ДНТЭГ). По типу основного пластификатора пороха подразделяют на нитроглицериновые, нитродигликолевые и др.
Соотношение НЦ и пластификатора определяет механические и тер модинамические характеристики пороха. Количество введенного в НЦ ак тивного (энергетически насыщенного) пластификатора ограничивается пределом термодинамической совместимости НЦ и пластификатора, а также диапазоном температур эксплуатации. Пределом для широкого тем пературного диапазона (- 60...+74°С) считают 40% НГЦ в составе нитро целлюлозного пороха, свыше которого может наблюдаться эксудация НГЦ при длительном хранении порохов и зарядов из них. При введении в состав пороха 20...30% высокоэнергетического наполнителя содержание НГЦ может быть повышено до 50%.
Дополнительные пластификаторы вводятся в состав пороха для улучшения его механических свойств, а также для снижения температуры горения (уменьшения эрозионного эффекта). В качестве дополнительных пластификаторов применяют дибутилфталат (ДБФ), диоктилфталат (ДОФ), динитротолуол (ДНТ), триацетин (ТАЦ) и др.
Основная составная часть баллиститных порохов - малостойкие по своей природе НЦ и НГЦ. НЦ - сложный эфир целлюлозы и азотной ки слоты, является веществом, которое в отличие от большинства органиче ских веществ подвержено процессу самопроизвольного разложения. Этот процесс может ускоряться под влиянием ряда физических и химических факторов. Разложение НЦ происходит автокаталитически, ускоряясь в присутствии продуктов распада - оксидов азота, азотной и азотистых ки слот. Самопроизвольное разложение присуще не только НЦ и подобным ей азотнокислым эфирам, например НГЦ, но и всем нитроароматичсским взрывчатым веществам. Для повышения термической (химической) стой-
кости порохов, содержащих НЦ, в их составы вводят стабилизаторы хими ческой стойкости, связывающие окислы азота, образующиеся при разло жении НЦ.
В качестве стабилизаторов химической стойкости баллиститных по рохов и топлив используют алкилированные производные дифенилмочевины (централиты), дифениламин (CeHs^NH, оксид магния и др. Из централитов преимущественно применяются централит 1 (диэтилдифенилмоче-
вина) и централит 2 (диметилдифенилмочевина). Количество вводимых
централитов 1...3%. Дифениламин вводят, как правило, в состав БРТ,
предназначенного для изготовления крупногабаритных зарядов, в количе стве 0,5... 1,0%, совместно с централитом (3%). Оксид магния вводят в со став БРТ типа НМ и НМФ взамен централита в количестве 2%.
В баллиститные ракетные твердые топлива, кроме того, обязательно
вводят модификаторы горения: катализаторы, стабилизаторы, ингибиторы.
Катализаторы горения - соединения, регулирующие (обычно
уменьшающие) зависимость скорости горения от давления. В качестве ка тализаторов горения обычно используются органические и неорганические
соединения свинца, меди, кадмия, кобальта (до |
4%), |
например, РЬО, |
РЬ30 4, РЬСОз, фталаты, стеараты, салицилаты и др. |
|
|
Стабилизаторы горения вводятся в состав для повышения устойчи |
||
вости работы ракетного двигателя, особенно |
при |
низких давлениях |
(2...4МПа). В качестве стабилизаторов горения применяют тугоплавкие химически инертные неорганические соединения (до 2%), как правило, ок сиды и соли металлов. MgO, Mg(OH)2, А120з, СаСОз, СаО, ТЮ2 и пр.
Ингибиторы горения - соединения, вводимые в состав топлива для снижения скорости горения. Это, как правило, вещества, имеющие эндо термический тепловой эффект фазовых переходов при температуре, не превышающей температуру поверхности горящего пороха (менее 800 К).
ю