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

Работы по легированию алюминия в направлении увеличе­ ния микротвердости за счет микроприсадок различных метал­ лов (2г, Т1, 2п, Ре, V) позволили повысить микротвердость до 150... 180 кгс/мм2.

На рис. 101, 102 представлены некоторые эксперименталь­ ные данные исследований, на основании которых была разра­ ботана технология изготовления новых сплавов.

4

8

12

16 20

% М«, вес.

Рис. 101. Изменение микротвердости порошков от процентного содержания

М8

Н^,

кгс/мм2

Рис. 102. Зависимость микротвердости алюминия от процентного содержа­ ния железа, титана, циркония

Химический состав и микротвердость сплавов

Марка			Химический	состав, % вес.		Микротвер-
			И			дость, Н ,
сплава	м 8	Ре		Ъх	А1	кгс/мм2
А М Д Л -5	5±1	—	0,2...0,5	0,2...0,5	Ост. до 100 %	150... 180
А С Д -Ф	—	1,3...1,5	—	—	98,5...98,7	150... 153

С целью обеспечения условия сгорания металлического го­ рючего в камере сгорания МГД-генератора произведена моди­ фикация порошков данных сплавов по дисперсности. Иссле­ дования показали высокую эффективность воздействия на время сгорания крупных частиц мелкой фракции < 50 мкм. Мелкие частицы за счет быстрого воспламенения способству­ ют более быстрому воспламенению и сгоранию крупных час­ тиц 50...140 мкм [127].

Оптимальным соотношением трех фракций < 50 мкм, 50... 140 мкм, > 140 мкм время сгорания сплава в составе заря­ да в камере МГД-генератора было уменьшено до допустимого значения.

В табл. 75 приведены химический состав и некоторые ха­

рактеристики		продуктов	сгорания топлив			на	основе	АМДЛ-5
и АСД-Ф в сравнении			с цезиевым составом				СП-11.
								Таблица 75
Наименование характеристик				СП-11	СПК -12 с			СП К -12 с
				с АМД-10	АМДЛ-5			АСД -Ф
		Химический состав, %
Коллоксилин				33,2		29.1		29,1
Нитроглицерин				31,8		29,1		29.1
Алюминиево-магниевый сплав				22,0		27.5		27,5
Окись железа				_		0.7		0.7
Азотнокислый		калий		-		12.0		12,0
Азотнокислый		цезий		11,0		-		_
Окись магния				0,5		0.6		0,6
Вазелиновое масло				0,6		0,3		0.3
Дифениламин				0,9		0.7		0,7
	Параметры продуктов сгорании, Р„ =				40	атм. у = 1,0
Температура сгорания, К				3745		3844		3855
Газовая постоянная				22,4		22.17		22.7
Скорость	потока, м/с			2060		2056		2050
Электропроводность, См/м				69,13		61.35		68,0
Подвижность электронов, 1/тл				0,23		0.156		0,1577
Давление,	атм			2,6		2,5		2,5
Комплекс	оМ2. См/м (км/с)2			294,2		259.4		286,0
Массовая доля		к-фазы		0,35		0.47		0,48

Составы, представленные в табл. 75, использовались при изготовлении генераторов первого поколения. Генераторы вто­ рого поколения потребовали составов с более высокими элек­ трофизическими характеристиками. По химическому составу они отличаются более высоким содержанием нитратов цезия или калия или новой легкоионизирующейся добавкой — ка­ лиевой соли динитроазовой кислоты (КАДНА).

Создание плазменных топлив как первого, так и второго поколений составило целый этап в технологии высокоэнерге­ тических материалов.

Потребовалось решение целого ряда вопросов, связанных как с обеспечением безопасности, так и введением в техноло­ гический процесс новых операций:

—ввод водорастворимых добавок (СзМОз, 10Ю3);

—защита от взаимодействия с водой металлических спла­ вов (АМДЛ-5, АСД-Ф);

—улучшение технологических свойств высоконаполненной гетерогенной композиции;

—разработка методов непрерывного дозирования метал­ лических сплавов и водорастворимых добавок;

—разработка пресс-инструмента, обеспечивающего необ­ ходимую аутогезию гранулированного полуфабриката с содер­ жанием порошкообразного наполнителя до 60%;

— разработка шнек-пресса с низким уровнем диссипатив­ ного разогрева, обеспечивающего снижение вероятности заго­ рания и взрыва за счет разрыва детонационной волны по ин­ тенсивности и экстенсивности.

На рис. 103 представлена принципиальная технологическая схема изготовления зарядов из плазменных топлив на основе СзТчЮз, КЛЧОз и сплавов типа АМДЛ-5 и АСД-Ф. Технологи­ ческая схема имеет несколько принципиальных отличий от классической технологии двухосновных топлив:

—ввод в водную среду 20...25% легированных алюминие­ вых сплавов осуществляется после предварительных операций защиты порошков окисной пленкой с гидродинамической об­ работкой и гидрофобной пленкой, которые обеспечивают на­ дежную и длительную защиту активного металла от взаимо­ действия с водой (позиции 5, 6);

—введение селитры в состав топлива, масса которого из­ готавливается в водной среде с модулем 1:5... 1:10, осуществля­ ется не на стадии изготовления массы, а при ее вальцевании после отжима. Разработана специальная установка непрерыв-

зоз

ного приготовления, дозирования и ввода концентрированного раствора селитры на вальцы (позиции 9,10);

—гранулирующий (таблетирующий) пресс с целью лучше­ го уплотнения гранул и максимального снижения значения АР/(к, имеет специальные профилирующие отверстия для оп­ тимизации скорости сдвига при течении массы. С целью воз­ можной корректировки технологических режимов производит­ ся периодический контроль показателя <1Р/дх ;

—формующий пресс имеет конструктивные особенности, обеспечивающие разрыв детонационной волны по интенсив­ ности (сечение канала, крутизна плотностей) и экстенсивно­ сти (толщина перемычек втулки меняется в зависимости от давления в канале винта);

—пресс-инструмент имеет специальный профиль внутрен­ ней поверхности (уменьшающийся угол конусности по оси), оптимизирующий функцию скорости сдвига по длине пресс-инструмента.

Модернизированная технология обеспечила изготовление зарядов для МГД-генераторов первого поколения.

На рис. 104 представлена принципиальная схема МГД-ге­ нераторов на твердом топливе.

Разработанные генераторы плазмы имеют достаточно высо­ кую степень практической реализации электрофизических па­ раметров (0,85...0,9) [137, 138].

Рис. 104. Принципиальная схема МГД-генератора на твердом топливе:

1 — генератор плазмы твердого топлива; 2 — поток ионизированных про­ дуктов сгорания твердого топлива; 3 — магнит; 4 — коммутатор; 5 — по­ дача электрической энергии от конденсаторной батареи; 6 — продукты сгорания на выходе из преобразовательной части МГД-канала; 7 — на­ правленный поток электронов; 8 — магнитные силовые линии; 9 — токосъемник-электрод; 10 — размыкатель цепи для включения систе­

мы под нагрузку; 11 — нагрузка

Высокие температуры (свыше 3000 К) и сверхзвуковые скорости (более 2000 м/с) потока продуктов сгорания плазмо­ образующего топлива определяют весьма жесткие условия ра­ боты разгонного сопла и МГД-канала. Эрозионное воздейст­ вие потока усугубляется наличием мелкодисперсной конденси­ рованной фазы — в основном А120 3, массовое количество которой в потоке составляет 40...45%.

При создании МГД-канала был выполнен обширный ком­ плекс теоретических и экспериментальных исследований. В результате были сконструированы неохлаждаемые МГД-ка- налы на мощности до десятков мегаватт с ресурсом работы до трех — четырех пусков по 10 с. Для облицовки огневых сте­ нок разгонного сопла используется графит В-1, положительно зарекомендовавший себя в ракетных двигателях на твердом топливе. По своим электрофизическим, технологическим и стоимостным показателям графит В-1 оказался также наибо­ лее предпочтительным материалом для покрытия поверхности электродов МГД-канала.

Для облицовки огневых поверхностей электроизоляцион­ ных стенок МГД-канала применяются модули покрытия из композиционных материалов на основе сочетания нитридной и оксидной керамики.

Для уменьшения эрозионного воздействия на стенки кана­ ла конденсированной фазы газодинамический тракт профили­ руется таким образом, чтобы конденсированные частицы кон­ центрировались вблизи оси канала и не выпадали на эти стенки.

В качестве силовой основы стенок и несущего корпуса канала используются различные стеклопластики и немагнитные стали.

Успешное решение указанных ключевых проблем позволи­ ло создать первые базовые МГД-генераторы на цезиевом плаз­ мообразующем топливе.

Основные характеристики базовых МГД-генераторов при­ ведены в табл. 76.

		Таблица 76
Наименование характеристик	Значение	характеристик
Максимальная мощность, МВт	10...12	40...50
Максимальный ток, кА	25...30	о
Средний расход продуктов сгорания, кг/с	25	80
Длительность рабочего импульса, с	3...10	2,5...9
Удельный энергосъем с топлива. МДж/кг	0,5	0,5
Мощность на единицу объема МГД-канала, МВт/м3	370	330
Мощность на единицу массы МГД-канала, МВт/т	1,0	2,0

Эти МГД-генераторы послужили основой для создания геофизических МГД-установок «Памир-1», «Памир-2». «Урал», «Хибины» и др.

Установки «Памир-1» и «Памир-2» включают в себя два генератора плазмы и два МГД-канала, генерирующих по 10 МВт каждый, с общей магнитной системой. После выхода на номинальный режим один канал питает магнит, второй — на­ грузку (электрический или магнитный диполь). Мощность в нагрузке — до 3...5 МВт. Первая из установок стационарная, блоки второй размещены на автомобилях повышенной прохо­ димости.

Установка «Урал» выполнена на основе одного МГД-гене- ратора мощностью 40 МВт. Установка «Хибины» — спаренный вариант.

С помощью этих установок был выполнен большой объем крупномасштабных геофизических экспериментов по электро­ магнитному зондированию земной коры.

Установка «Памир-1» с электрическим диполем использо­ валась на Памире (г. Гарм) для электрического зондирования с целью прогноза землетрясений. Уверенные сигналы регист­ рировались на расстоянии свыше 30 км от МГД-установки. Наблюдались корреляции между вариациями кажущегося со­ противления земной коры и соответствующими сейсмически­ ми событиями. Накопленный опыт показал, что с помощью такой МГД-установки можно одновременно контролировать

сейсмоактивную территорию площадью до	3000 км2. Работы
в этом направлении были продолжены в	районе г. Бишкек
(Кыргызстан).

На Южном Урале для электромагнитного зондирования земной коры использовалась МГД-установка «Урал» с магнит­ ным диполем. Результаты исследований позволили получить сведения о геоэлектрическом строении практически всей тол­ щи земной коры в этом регионе (до глубины 40 км) и обна­ ружить глубинные разломы.

В экспериментах на Кольском полуострове использовалась установка «Хибины», которая питала уникальный контур, включающий в себя электрический кабель, заводненный с обеих сторон перешейка полуострова Рыбачий, и морское обрамление этого полуострова. Измерения проводились по системе профилей на всей территории Кольского полуострова, частично Карелии и Финляндии. Уверенная регистрация со-

ставляющих электромагнитного поля производилась на рас­ стоянии до 750 км.

Проведенные исследования позволили:

—выявить особенности глубинного (до 70 км) геоэлектрического разреза по всей толще кристаллической коры Кольской части Балтийского щита и верхней мантии;

—наметить контуры бокового строения Кольского полу­ острова;

—выявить крупную аномально проводящую зону (Печенгскую структуру), перспективную для поиска рудных месторож­ дений;

—исследовать воздействие мощного искусственного ис­ точника электромагнитного поля на состояние ионосферы.

Установка «Памир-2» использовалась для проведения опыт­ но-методических работ по электроразведке нефти и газа на Астраханском своде Прикаспийской впадины. На базе этой установки в дальнейшем был разработан электроразведочный комплекс «Север-1», который применялся для подобных же работ в Красноярском крае в пределах Собинского газокон­ денсатного месторождения. Проведенные исследования позво­ лили впервые получить данные о суммарной мощности оса­ дочной толщи западной части Астраханского свода, выявить на глубине 5...8 км новое предполагаемое месторождение неф­ ти и газа. В комплексе с результатами сейсморазведки этот

объект	был передан	для бурения.	В результате с глубины
5,5 км	был получен	промышленный	приток нефти.

В Красноярском крае также были выявлены перспектив­ ные объекты на глубинах 4...6 км.

Выполненные работы показали высокую эффективность твердотопливных МГД-генераторов, надежность их эксплуата­ ции в полевых условиях в различных регионах.

Столь мощные импульсные источники электроэнергии, превосходящие на два — три порядка по мощности и силе то­ ка в нагрузке все существующие сегодня в мире геофизиче­ ские генераторные группы, позволяют получить новые, во многих случаях уникальные данные, имеющие важное значе­ ние для фундаментальной геофизики и геологии, а также по-новому подойти к решению актуальной задачи создания эффективной промышленной технологии электроразведки ме­ сторождений углеводородов и руд. Важность этой проблемы определяется тем, что дальнейшие перспективы открытия но­ вых месторождений нефти и газа в России связаны главным

308

образом со сложнопостроенными ловушками неантиклиналь­ ного типа, поиск которых традиционными методами сейсмо­ разведки менее эффективен, чем большей части открытых ан­ тиклинальных ловушек. В то же время благодаря своей высо­ кой электропроводности они могут быть надежно выявлены на фоне смежных слоев методами электроразведки с оценкой их коллекторских свойств (запасов углеводородов).

Практика геологоразведочных работ показывает, что при­ менение электроразведки в комплексе с сейсморазведкой по­ зволяет повысить эффективность поиска нефтегазовых место­ рождений, т. е. успешность бурения скважин, на 35...45% и су­ щественно сократить материальные затраты.

Мощные импульсные МГД-генераторы открывают широкие возможности для создания высокопроизводительной техноло­ гии электроразведки, как наземной, так и морской, в условиях

высокого уровня	электромагнитных промышленных помех
и без нанесения	ущерба сельскохозяйственной деятельности

и природе. При этом применяется метод зондирования ста­ новлением поля от закрепленного источника (электрического или магнитного диполя), возбуждаемого мощным импульсом от МГД-генератора с использованием многоканальной радиотелеметрической измерительной системы, которая развертыва­ ется на большой площади.

По сравнению с традиционными для электроразведки ма­ ломощными источниками электроэнергии, работающими в ре­ жиме накопления, применение мощных МГД-генераторов по­ зволяет достичь следующих результатов:

—повысить глубинность и расширить площадь исследова­ ний в два — три раза;

—увеличить разрешающую способность метода;

—значительно упростить приемные станции;

—ограничить секундами время наблюдений и проводить измерения в период минимума естественных электромагнит­ ных помех;

—повысить соотношение «полезный сигнал/шум»;

—увеличить производительность работ;

—снизить стоимость одной информационной точки. Опытный этап электроразведочных работ с МГД-генерато-

рами «Памир-2» показал, что для создания промышленной технологии необходима разработка специализированного гео­ физического комплекса с более мощным МГД-генератором

иусовершенствованной системой измерений и обработки ин­ формации.

Россия имеет несомненный приоритет в области создания

ипрактического использования мощных твердотопливных МГД-генераторов.

Из реализованных зарубежных разработок необходимо от­ метить созданный в США фирмой ЗТЭ импульсный самовозбуждающийся МГД-генератор на комбинированном топливе (твердом горючем с цезиевой добавкой и жидким окислите­

лем), испытания которого были начаты в 1983 г. Максималь­ ная мощность генератора — 5 МВт, расход продуктов сгора­ ния — 20 кг/с, длительность импульса — 5...30 с. Удельные параметры: энергосъем с топлива — 0,25 МДж/кг, мощность на единицу массы установки — 0,8 МВт/т.

Основные характеристики геофизического МГД-комплекса нового поколения

В1989—90-х г. был разработан новый специализированный МГД-комплекс для площадных электроразведочных работ на нефть и газ. Комплекс включает в себя твердотопливный МГД-генератор с блоком преобразования и управления, элек­ трический диполь-излучатель и многоканальную радиотелеметрическую систему измерений, сбора и обработки геофизиче­ ской информации (рис. 105).

ВМГД-генераторе используется более дешевое плазмообра­ зующее топливо с калиевой легкоионизирующейся присадкой. МГД-канал выполнен с охлаждением наиболее теплонапря­ женной входной зоны пастообразным охладителем, что позво­

ляет повысить кратность использования канала до 10 пусков.

Т аблиц а 77

Основные характеристики МГД-генераторов

Наименование характеристик	Значение характеристик
Генерируемая мощность, МВт	36
Мощность в нагрузке, МВт	16
Амплитуда тока в нагрузке, кА	4...7
Длительность импульса тока в нагрузке, с	5... 10
Удельный энергосъем с топлива, МДж/кг	0,92

Благодаря применению более дешевого плазмообразующего топлива и повышению ресурса работы расходных элементов по сравнению с МГД-установкой «Памир-2» удалось снизить

310