книги / Химия и технология баллиститных порохов, твердых ракетных и специальных топлив. Т. 1 Химия

Рис. 41. Схема установки для определения диффузионных характеристик методом «времени запаздывания»:

1 — пластинка пороха; 2 — резиновая прокладка; 3, 5 — краны; 4 — ка­ пиллярный манометр

Коэффициент проницаемости определяется по тангенсу уг­ ла наклона прямой АР = Г(г) (рис. 42) и по формуле

273/, ДР	(3.13)
Г = У Т8РМ ’

Рис. 42. Изменение давления в нижней камере-приемнике установки в процессе проведения опыта

где V — объем нижней камеры, АР — прирост давления; — площадь пластины; Р — атмосферное давление; /, — толщина пластины.

Использование прибора Шумана — Рейтмингера, имеюще­ го водяную рубашку, позволяет получить температурную зави­ симость коэффициента проницаемости.

Растворимость газов термораспада в материале может быть исследована на установке сорбционного типа путем определе­ ния максимального количества газа, поглощаемого навеской материала.

Общий вид установки показан на рис. 43. Навески мате­ риала в виде кубиков с гранью 0,5... 1,5 мм помещаются в ем­ кость 2, которая крепится к прибору шлифовым соединением. Левая ветвь установки заполняется исследуемым газом. Правая ветвь вакуумируется в течение 24 часов, а затем через кран 1 запускается исследуемый газ. После установления сорбционно­ го равновесия определяется приращение давления АР.

Рис. 43. Схема установки для определения диффузионных характеристик сорбционным методом:

1 ,3 — краны; 2 — емкость для загрузки образцов; 4 — манометр

Коэффициент растворимости рассчитывается по формуле

2 7 3 ^

ТОРравн

где У3 — свободный объем правой ветви установки; О — на­ веска материала; Ррат — давление над образцом в момент рав­ новесия; АР — приращение давления; р — плотность материа­ ла.

Основные положения теории теплового самовоспламенения. Критические параметры

Медленное химическое взаимодействие, сопровождающееся сравнительно невысоким уровнем газовыделений и тепловыде­ лений, в течение длительного времени не создает критических условий ни по нарушению целостности, ни по опасности са­ мовоспламенения. Тем не менее, на зарядах большого диамет­ ра, хранящихся длительное время при высоких температурах (50...60°С и выше), есть опасность теплового самовоспламене­ ния, поэтому знание критических параметров для таких заря­ дов является необходимым.

В основе теории лежит рассмотрение двух основных про­ цессов: тепловыделения и теплоотвода.

Математическая задача о тепловом самовоспламенении сводится к совместному решению уравнений химической ки­ нетики и теплопередачи, которые в безразмерных параметрах

имеют следующий вид:
	г/0 *			0 ‘		1 (с/2®' + пс!в'
		ск = <Р(ч)ехр 1+у50‘ + <Ч 4 2					1 4	(3.15)
	Л]			0 ‘
	— = у<р(т])ехр
				1+/90*
Безразмерные			переменные:
0 *= - ^Ег г (Т - Т			) —	разогрев;		%= х / г	— координата;
К Т2
я	Б .		(		время.
		к0ехр		КТ.вы /
фРКТ*
Безразмерные			параметры:
. ©	Б	г,	(	Е \	критерий Франк—Каменецко-
о = —~	1_;	г ка	ехр -
я ят2			КТ.вы/

го, выражающий соотношение между масштабами теплоприхода и теплоотвода (основной параметр в теории теплового са­ мовоспламенения);

аг.

В1= - г - — критерий Био, характеризующий соотношение

А

между внешней и внутренней теплопередачей;

Е

0 ‘ ---- — (Т - Т ) — начальный температурный напор ок­

м ^ у 12 Vл он л н /

ружающей среды, характеризующий роль стадии прогрева ве­ щества;

У= ■ параметры, характеризующие «каче­

ство» теплового самовоспламенения как предельного режима

неизотермического			протекания реакции.
Граничные	условия:
„ Л я©*	,	„	,
$ = 0; —— = 1;		| = 1; - ^ = -ВЮ
			%
Начальные	условия:

/ = 0; © * = -© ;; 7 = 0; Т — температура в зоне реакции, К; Твн _ температура ок­

ружающей среды, К; Тм — начальная температура состава, К;
г) — глубина превращения, %; х — пространственная коорди­
ната, см; гн — радиус	образца, см; I — время, с; ср — удель­
ная теплоемкость при	р = сопз!, калДг-градус); а — коэффи­

циент теплопередачи, калДсм-страдус);		0 — тепловой эффект
реакции, кал/см2; к0 —	предэкспонента	уравнения Аррениуса
для константы скорости	термораспада,	с-1.

Функция <р(г1 ) в уравнении (3.15) выражает закон протека­ ния реакции в изотермических условиях:

^>(77) = 1 — реакция нулевого порядка;

(р(у])= (\-‘7])ш — реакция	гп-го	порядка;
^(77) = (7?" +77о)(1-т?Г —	авто	каталитическая реакция; ш,

п — показатели уравнения; 770 — критерий автокаталитичности (отношение начальной скорости реакции к автокаталитиче­ ской константе).

В классической теории были разработаны приближенные подходы к решению задачи, получившие название стационар­ ной и нестационарной теории теплового самовоспламенения. Обобщение и развитие классической теории пошло по пути учета стадии прогрева, рассмотрения различных условий теп­ лообмена на поверхности, выяснения роли изотермического самоускорения реакции.

В частности, в классической тепловой теории для прибли­ женного определения критических параметров (критического диаметра с!кр и индукционного периода гкр) теплового самовос­ пламенения зарядов ТРТ используются соотношения

где с10 и г0 — коэффициенты, величины которых определяются теплофизическими и химическими свойствами состава, усло­ виями теплоотдачи.

Тепловое самовоспламенение зарядов в процессе изготовле­ ния и хранения не происходит при выполнении следующих условий:

д < с!кр или г « тКр (при й > с1кр),

где с! — диаметр заряда, т — продолжительность изготовления, хранения.

Теория теплового самовоспламенения нашла конкретное применение для оценки критических условий в реальных ре­ жимах переработки пороховых масс.

Определение критических параметров теплового самовоспламенения

Критические параметры теплового самовоспламенения оп­ ределяются по кинетике тепловыделения, которая в условиях свободного удаления продуктов разложения исследуются дифферинциально — калориметрическим методом, в замкнутом объеме — термографическим. Выбор метода определяется ус­ ловиями эксплуатации ТРТ. Навеска ТРТ для дифферинциально — калориметрического метода в виде кусочков 1 x 1 x 1 мм в стеклянной ампуле помещается в ячейку калориметра. Для термографического метода используются образцы разме­ ром 5,6/0 — 42 мм, помещающиеся в герметично закрытой металлической ампуле в электропечь специальной конструк­ ции.

На диаграммной ленте потенциометра при дифферинциально — калориметрическом методе регистрируется кинетиче­ ская кривая скорости тепловыделения, при термографическом методе — кривая разогрев — время АТ = Г(г). Опыты прово­ дят при четырех различных температурах, причем за началь­ ную принимается температура начала интенсивного разложе­ ния. В результате обработки кинетических кривых определяют тепловой эффект и кинетические параметры термического разложения. Закон скорости тепловыделения реакции терми­ ческого разложения аппроксимируют уравнением

	Л]		(3.18)
	ск = ке	лг(1->7)"(>7 о +>/"')

и находят значения к, Е, и функцию <р(г)).

Критические параметры теплового самовоспламенения оп­ ределяются решением системы уравнений (3.15) разностным неявным методом и методом «прогонки» на ЭВМ. При этом заряд ТРТ рассматривается как изделие в виде однослойного или многослойного бесконечно длинного цилиндра. В резуль­ тате решения системы определяют температуру и глубину тер­ мического разложения для каждого шага счета времени в рас­ четных точках образца. Не менее чем для трех диаметров об­ разцов находят расчетные значения критической температуры и индукционного периода, которые аппроксимируют уравне­ ниями (3.16), (3.17) для внесения в паспорт ТРТ. В частном случае, когда тепловыделение описывается уравнением автока­ тализа первого порядка, критические параметры можно рас­ считать по приближенным формулам теории теплового само­ воспламенения конденсированных систем:

	=	8Т 2Ле~«т		(3.19)
	4	<2Ек0р(1+т10)2’
т	е ят	[п 1 +^р	1+У	(3.20)
	кр		2(1+>7)
	к о 0 + ' ? о ) [ П 2 + 7 7 о

Для сравнительной оценки может быть использован сле­ дующий метод. Исследуемый образец в виде цилиндра поме­ щают в реакционный сосуд, обогреваемый термостатирован­ ным теплоносителем. Разогрев в образце регистрируется диф­ ференциальной термопарой (один спай термопары в образце, второй — в теплоносителе) с записью на потенциометре. Ис­ следования проводят на образцах диаметром 2,0...5,0 см и 1/й — 2. Обработка результатов ведется по записи кривых «ра­ зогрев — время». Критическая температура для каждого разме­ ра образца определяется экспериментально методом «при­ стрелки» и является средней величиной между температурой, соответствующей взрывному и невзрывному режимам разложе­ ния. Критический индукционный период является средней ве­ личиной между временем достижения максимума разогрева в невзрывном опыте и индукционным периодом до вспышки во взрывном опыте.

Для каждого размера образцов определяют зависимости:

(3.21)

Т

(3.22)

Рассчитывают значения Е, с10, г0, используя уравнения 3.16, 3.17, и находят критические параметры для температур изго­ товления и хранения зарядов.

На рис. 44 показана зависимость с!0, т0 от Е для ряда баллиститных составов. Используя эти данные, по соотношениям 3.16 и 3.17 можно рассчитать параметры с1кр и гкр для различ­ ных температурных условий изготовления, хранения и экс­ плуатации зарядов. В табл. 16 приведены значения критиче­ ских диаметров для ряда баллиститных топлив.

1&Т0

-24

-22

-20

-18

-16

-14

28

30

32

34

36

38

К, кксал/моль

Рис. 44. Зависимость 1ес10 (Д 1ег0 (2) от Е для различных БРТТ

Критический диаметр для зарядов БРТГ

	БРТТ	Температура прессования, ’С	Диаметр,		мм
НМФ-2Д, РСИ-60, РСТ-4К,		70	Не	менее	1000
РНДСИ-5К, РСИ-12М		80
РСИ-12КД. РСИ-12К, ВИК-2Д			Не	менее 500
РНДС, БНК, БМС, РА		80	Нс менее 300
РБФ,	РБМ	70	Не менее 600
спк,	сп и	70	Не	менее 430
спк,	сп ц	80	Не	менее	230

Наличие корреляционных связей между значениями 1§г0, 1§с1о и Е позволяет проводить предварительную оценку крити­ ческих параметров, зная лишь энергию активации термическо­

го разложения.
Уравнения регрессии для баллиститных составов	имеют
вид:
\уй 0= -3,92-0,572?,о = 0,21,	(3.23)
1вг0 = 1,57-0,54^,<7 = 0,19.	(3.24)

По известным значениям Е определяют 1§с10, 1§т0, по урав­ нениям (3.16) и (3.17) вычисляют йкр и гкр. Такие грубые оценки могут быть полезны на стадии разработки новых со­ ставов, для окончательной же оценки должны быть проведены прямые эксперименты.

[лава 4

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ БАЛЛИСТИКИ СТВОЛЬНЫХ СИСТЕМ И РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ (РДТГ)

Химия и технология П и ТРТ рассматривают комплекс во­ просов, связанных с созданием артиллерийских порохов и ра­ кетных топлив, изучением их свойств, технологией изготовле­ ния зарядов и пр., т. е. рассматривают и устанавливают теоре­ тические и практические закономерности и рекомендации по разработке и изготовлению порохов и топлив.

Но каковы должны быть эти пороха и топлива? Каково их назначение и какие характеристики определяют способность порохов и топлив выполнять свое назначение в наилучшей степени?

На эти вопросы отвечает другая наука — баллистика, со­ стоящая из двух основных частей — баллистики внутренней и баллистики внешней.

Первая изучает явления, происходящие в канале орудия во время выстрела или внутрикамерные процессы в ракетном двигателе при его работе.

Баллистика внешняя изучает полет снаряда или ракеты от момента старта до момента достижения ими цели.

Собственно, события, развивающиеся в канале орудия во время выстрела или в камере сгорания ракетного двигателя

исвязанные с переходом химической энергии П и ТРТ в теп­ ловую, а затем в кинетическую движения снаряда или ракеты,

иопределяют, в какой степени П и ТРТ выполняют постав­ ленную перед ними задачу.

Поэтому именно внутренняя баллистика, рассматривающая все вопросы, взаимосвязывающие энергетические характери­ стики П и ТРТ и кинетические параметры снаряда и ракеты, является наукой, тесно примыкающей к химии порохов и топ­ лив и являющейся своего рода «заказчиком» новых составов.

Поскольку закономерности выстрела из орудия и работы ракетного двигателя принципиально различаются, целесооб­ разно внутреннюю баллистику тех и других рассмотреть от­ дельно.

4.1 Внутренняя баллистика ствольных систем (ВБСС)

Выстрел из артиллерийского орудия представляет собой сложный, быстропротекающий при высоких давлениях (сотни МПа) процесс превращения химической энергии пороха в ки­ нетическую энергию снаряда. Продолжительность этого про­ цесса составляет сотые и тысячные доли секунды.

Задачами ВБСС является физическое и математическое моделирование процессов и установление закономерностей, протекающих при выстреле. Физическая модель выстрела гра­ фически представлена на рис. 45. Выстрел условно представ­ ляется несколькими временными участками: 1 — предвари­ тельный период форсирования до гф; 2 — основной период горения заряда и движения снаряда (гф — гк); 3 — период адиабатического расширения пороховых газов (гм — гд); 4 — период последействия пороховых газов на снаряд (после гк).

Давление

Рис. 45. Диаграмма давления пороховых газов в стволе артиллерийского орудия:

гф — момент врезания снаряда в ведущие пояски; ти — конец горения пороха; тк — снаряд покидает ствол

В предварительный период до момента врезания снаряда в ведущие пояски горение пороха происходит в замкнутом объеме.

Второй период — основной — начинается с момента нача­ ла движения снаряда до окончания горения пороха. В этот

120