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

в связи с азотом, позволяет получать высокую энергию при перегруппировке молекулы с образованием N2 и переходом кислорода в молекулы С02 и Н20.

Рассматривая баллиститные пороха и ТРТ с точки зрения поиска путей повышения энергетики, следует оценить в пер­ вую очередь степень реализации молекулярных перегруппиро­ вок с участием кислорода — 0М02, — >Ю2 N2, С02, Н20.

Далее целесообразно осуществить поиск таких добавок, окисление которых в энергетическом отношении было бы бо­ лее выгодно, чем углерода и водорода.

С этой целью следует рассмотреть кислородный баланс ис­ ходных топлив и состав продуктов сгорания.

Вприводимом ниже анализе взяты исходные двухосновные составы и составы с использованием компонентов, могущих повысить энергетику топлив.

Вкачестве таких компонентов выбирались наиболее опти­ мальные с учетом более высокого энергетического эффекта при окислении кислородом, чем углерод, и с большим содер­ жанием кислорода, чем нитраты целлюлозы.

Втабл. 71 представлены результаты термодинамического анализа с определением состава продуктов сгорания на срезе сопла.

Ранее в разделе «Металлическое горючее...» был обоснован выбор алюминия и его сплавов в качестве высокоэнергетиче­ ского компонента баллиститных ТРТ. Из кислородсодержащих азотистых соединений могут рассматриваться взрывчатые ве­ щества, приведенные в табл. 71.

Наибольший интерес среди них представляют ВВ, имею­ щие высокие коэффициент избытка окислителя и теплоту об­

разования: НГЦ,	гексоген,	октоген, которые, собственно,
и нашли применение в топливах.
Представленные	в табл.	71 термодинамические .характери­

стики нескольких групп топлив позволяют оценить наиболее оптимальные направления развития БРТТ.

Состав продуктов сгорания, оцениваемый по содержанию окислов, показывает, что с энергетической точки зрения ки­ слород в процессе горения топлива расходуется неоптимально: содержание энергетически невыгодного моноксида углерода достигает более 40% в исходных двухосновных топливах, в то время как содержание диоксида не превышает 7...9%, а коли­ чество неокисленного водорода в общем составе продуктов сгорания — 15... 18%. Таким образом, в процессе горения топ-

Термодинамический анализ энергетических возможностей различных составов ТРТ и составы продуктов сгорания (на срезе сопла)

				Ненаполненные то­		Металлизированные топлива				ВВ-содержащие топлива			Металл- и ВВ-со-
				плива									держащие топлива
Наименование показа­				27%	32%	ПАМ-4	ПАМ-4,	АМД	Дина	Гексоген	Дазин	Октоген	Гексоген	Гексоген
	телей					(5%)	АМД						(25%) +	(34%) +
				нгц	НГЦ		(10%)	(20%)	(10%)	(22%)	(26%)	(30%)	ПАМ-4	АМД.
					0,71	0,56	0,69	0,89	0,56	0,82	0,82	0,80	(9,5%)	(20%)
Отношение				0,50									0,80	1,0
НГЦ/НЦ				209,1	225,2	226,4	239,0		222,8	228,3	216,4	237,4	246,5	253,6
Удельный			им­
пульс,	I,	(40/1),
14кгс*с/кгV/14
V				2258	2819	2831	3051	3734	2726	2858	2411	2972	3169	3819
Температура			про­
дуктов		сгорания
в камере,		Тк,	К	1084	1479	1509	2058	2787	1403	1469	1166	1541	1979	2573
Температура			про­
дуктов		сгорания						(канал)
на срезе сопла, Та,
к				0,563	0,696	0,582	0.570	0,56		0,649	0,573	0,664	0.599	0,557
Коэффициент			из-
бытка	окислителя					Состав	г1РОДУКТОВ	сгораниеч (мольн. доли)
СО				0.3878	0.2977	0,4157	0,4458	0,4507	0,3044	0,3040	0,3342	0,2910	0,3820	0,3954
СО,				0.1503_	0.2164	0,1118	0,0757	0,0149	0,2017	0,1637	0,1444	0.1671	0.0780	0,0171
НоО				0.0944	0.2284	0,1444	0,1428	0,0592	0.2127	0,1976	0,1282	0,2148	0,1690	0,0710
н ,				0,2522 _	0.1244	0.2028	0,2108	0,2548	0,1458	0,1491	0,1491	0,1345	0.1840	0,2543
N0				0 1150	0.1331	0.1208	0,1247	0,1368	0,1348	0,1831	0,5555	0.1926	0.1850	0,2273
АЬО,	(конд.)				—	0,0567	0,0944	—	—	—	—	—	0,0890	0,3588

лива в основном реализуется энергетически невыгодная реак­ ция, имеющая тепловой эффект 2170 ккал/кг вместо 7833 ккал/кг (при полном окислении углерода). При этом кислород расходуется на окисление практически полностью: в-продуктах сгорания содержится только N2. Очевидно, основной причи­ ной является низкий кислородный баланс топлив.

В связи с этим можно рассматривать два пути повышения энергетических характеристик: увеличение кислородного ба­ ланса композиции и введение в состав металлического горю­ чего.

Рассмотрим термодинамические возможности каждого из этих направлений, а также оптимизацию топливной компози­ ции по энергетическим характеристикам с одновременным вводом металлического горючего и веществ с высоким кисло­ родным балансом.

Ввод металлического горючего в двойную основу

На рис. 88, 89 представлены зависимости удельного им­ пульса (1уд) от состава двойной и тройной (НГЦ, НЦ, А1) сис­ темы.

1>л. кгс е/кг

Рис. 88. Зависимость удельного импульса от процентного содержания НГЦ в системах:

I — с коллоксилином, 2 — с пироксилином, 3 — с поливинилнитратом

Рис. 89. Зависимости удельного импульса и температуры продуктов сгора­ ния от содержания НГЦ в тройной системе НЦ — НГЦ — А1

	В интервале возможных изменений содержания компонен­
тов, близких		к реальным, с учетом совместимости, реологии
и	т. д., ввод	металлического горючего позволит увеличить 1уя
на	10... 15 с. Такой же прирост наблюдается и в реальных ком­

позициях (безметальный ВИК-2Д имеет 1уд = 225 с, металло­ содержащий РАМ — 240...242 с).

	Надо	заметить, что	оптимальное	содержание		металла
в	системе	определяется	коэффициентом	избытка	окислителя
и	увеличивается с повышением кислородного баланса и для
реальных		двухосновных	композиций колеблется		в	пределах

15...20%.

Дальнейшее увеличение содержания алюминия не может компенсировать уменьшение объема газов несмотря на возрас­ тание начальной энтальпии состава.

Использование металла в составах на основе низкоэнерге­ тических пластификаторов типа ДНДЭГ обеспечивает более высокий прирост удельного импульса. Так, введение 20% алю­ миния в композицию НЦ + НГЦ (один из вариантов) позво­ ляет повысить 1уд на 10 с, введение около 15% алюминия

всостав на основе ДНДЭГ повышает 1уд на 30 с.

Вкомпозиции с алюминием дина и ДНДЭГ по влиянию на величину удельного импульса превосходят НГЦ и обеспе­ чивают в. составах с одинаковой энергетикой более низкую температуру.

Таким образом, разработка новых составов должна базиро­ ваться на всестороннем анализе химического состава и конеч­ ных продуктов горения, которые дают оптимальные результа­ ты по комплексу характеристик: 1уд, Т, V.

Мощные ВВ на основе нитросоединений (повышение коэффициента избытка окислителя)

Из всех возможных способов повышения кислородного ба­ ланса баллиститных П и ТРТ наиболее оптимальным с учетом химической совместимости, стабильности, физико-механиче­ ских, взрывчатых характеристик получаемых порохов и топлив является ввод в состав кислорода в виде нитратов и нитро­ эфиров.

Все подобные соединения относятся к классу бризантных взрывчатых веществ, имеющих значительно более высокую чувствительность к ударной волне, чем П и ТРТ.

В табл. 72 приведены некоторые характеристики ВВ нитраминного и нитратного типа, представляющие интерес в каче­ стве носителей кислорода в составе порохов и ТРТ

Таблица 72

Характеристики мощных ВВ

	Эмпирич.	Молен. ЭД. вес,			Термо-		Кэфф.
Наименование				Фо6р’>	хим.	Рпзрм		Отнош.
ВВ	формула	вес	г/см3	ккал/кг коэфф., ккал/кг окислитизбытка.				н/с
Нитрогли­	с,н5о,ы3	227	1,60	-390	р	1455	1.06	1,67
					+ 17,3
церин
тэн	С^НиОпИл	316	1,77	-409.2	+ 15,6	1560	0,86	1,6
Гексоген	с,н,<т.	222	1,81	+77	+ 13,4	1390	0,67	2

	Наименование	Эмпирии.				Термо-		Кэфф.
			Молек.	Ул. вес,	Робр;»	хим.	Фвзр;’		Отнош.
								избытка
	ВВ	формула	вес	г/см3	ккал/кг	коэфф.,	ккал/кг	окислит.	Н /С
	Октогсн					б
			296	1,82...	+95,9	+ 13,8	—	0,67	2
	Бистетоин			1,96
		с,н«о,ы*	476	1.86	- 8 ,4	+ 17,2	1700	1,0	1,33
	Вещество Ц		174	1.53	+392	—	900	0,33	2
	С Ь -20	С .Н л О „Ы „	384	2,04	+237,2	—	1467	0,8	1,0
	Дазин	С .Н яО .Ы ,	176	1,63	+73,8	+6,5	—	—	2
	Дина	С Л О Л	210	1,67	-306,1	+ 11,6	1300	0,67	2

По комплексу характеристик (содержание кислорода, теп­ лота образования, теплота взрыва) такие ВВ, как гексоген, октоген, СЬ-20, близки к НГЦ, однако их ввод представляет ин­ терес как добавка к НГЦ, увеличивающая кислородный ба­ ланс системы в пределах термодинамической совместимости НГЦ — НЦ и обеспечивающая необходимые реологические и физико-механические характеристики композиции. На сис­ теме НЦ — НГЦ данные характеристики не могут быть полу­ чены при содержании НГЦ более 40%.

На рис. 90 представлен расчетный удельный импульс 1уд системы НГЦ + гексоген, показывающий близкие в энергети­ ческом отношении возможности этих компонентов. Энергети-

Рис. 90. Зависимость удельного импульса системы НГЦ — гексоген от со­ держания гексогена

ческие возможности тройной композиции НГЦ — НЦ — гек­ соген представлены на рис. 91.

О 10 20 Гексоген, %

Рис. 91. Зависимость удельного импульса тройной композиции НЦ + НГЦ (50/50) +гексогеи от содержания гексогена

Таким образом, расчетный термодинамический 1уд на сис­ теме с гексогеном, имеющей основу Н Ц : НГЦ = 50 50, со­ ставляет 246,3 с, сама основа при этом имеет 1ул = 242,7 с. Как видим, прирост незначителен. Однако в реальных систе­ мах этот прирост составляет несколько большую величину (около 10 с) вследствие снижения соотношения НГЦ/НЦ = 50/50 до значения 40/60 и менее (по технологическим, физи­ ко-механическим и другим причинам).

Энергетические возможности ВВ типа октогена и СЬ-20 за счет более высоких значений теплоты образования и плотно­ сти несколько выше. Однако в баллиститных П и ТРТ, приме­ няемых в массовых системах ближнего боя, их использование нецелесообразно.

Металлизированные ВВ-содержащие БРТТ

В силу повышенных эрозионных характеристик и сравни­ тельно высокой зависимости скорости горения от давления и температуры подобные ТРТ не находят широкого примене­ ния в массовых образцах вооружения. Поэтому термодинами­ ческие исследования данных топлив носят скорее теоретиче­

ский характер и могут быть использованы в большей степени при разработке специальных топлив ограниченного примене­ ния.

На рис. 92—95 приведены графические функции I, Т = Г(% НГЦ, Г, А1).

Рис. 92. Зависимости удельного импульса и температуры продуктов сгора­ ния от содержания НГЦ при постоянном содержании гексогена (ГГ)

и алюминия для композиций на основе коллоксилина

60	50	40	30	20 ш и %
	НГЦ«--------------		► МЦ

Рис. 93. Зависимости удельного импульса и температуры продуктов сгора­ ния от содержания НГЦ при постоянном содержании гексогена (ГГ)

и алюминия для композиций на основе пироксилина

Рис. 94. Зависимости удельного импульса и температуры продуктов сгора­ ния от содержания НГЦ при постоянном содержании алюминия (10%)

80	70	60	50	ДНДЭГ, %
ДНДЭГч----------------- ► ИЦ

Рис. 95. Зависимости удельного импульса и температуры продуктов сгора­ ния от содержания ДНДЭГ при постоянном содержании алюминия для композиций на основе коллоксилина

На рис. 96 представлены в косоугольной системе коорди­ нат в плоскости треугольника Гиббса в виде трех семейств

кривых .(изолиний) стандартный удельный импульс 1уд	(Рк/Ра
= 40/1), плотность топлива р и температура продуктов	сгора­

ния в камере Тк при давлении Р = 40 кг/см2 для баллиститной композиции НГЦ/НЦ (40/60) — гексоген — алюминий. Термодинамический максимум удельного импульса этой ком­ позиции равен 254,1 кгс с/кг при температуре горения 3765К, что соответствует следующей рецептуре: НГЦ/НЦ (40/60) — 50%, алюминий — 20%, гексоген — 30%.

Оптимальный химический состав реальных топлив, как правило, не соответствует термодинамическому экстремуму по удельному импульсу, так как топливо кроме того должно удов­ летворять комплексу свойств по эксплуатационной безопасно­ сти зарядов, по безопасности их производства, по стойкости зарядов к ударно-волновым, тепловым воздействиям, по меха­ нической прочности и т. д.