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

с Ш

Рис. 105. Схема геофизического твердотопливного МГД-комплскса:

система обработки; 2 — приемная радиотелеметрическая станция; 3 — полевые модули; 4 — выносные усилите­ ли; 5 — датчики поля

примерно в 1,5 раза стоимость одного пуска при более высо­ кой (в 3 раза) мощности в нагрузке.

Этот комплекс может применяться для исследования структуры земной коры до глубин 15...20 км, а также в службе долговременного сейсмического прогноза. МГД-генератор комплекса может работать самостоятельно как мобильный ав­ тономный источник, необходимый для решения задач, где требуются мощные импульсы электроэнергии.

Проведенные к настоящему времени огневые испытания энергоблока твердотопливного МГД-генератора нового поколе­ ния показали хорошую сходимость экспериментальных и про­ ектных параметров.

В заключение следует отметить, что комплекс работ по созданию и практическому применению магнитогидродинами­ ческих твердотопливных МГД-установок для геофизических исследований обеспечил существенный прогресс в данной об­ ласти и позволил получить следующие результаты:

— теоретически обоснована и воплощена в конструкцию целая серия МГД-генераторов мощностью от 10 до 50 МВт, работающих в режиме 2,5... 10 с. Конструкции выполнены как

встационарном, так и в мобильном автономном исполнении;

—проведен большой объем экспериментальных исследо­ ваний в различных регионах страны по глубинному электро­ магнитному зондированию земной коры с целью изучения ее геоэлектрического строения, долгосрочного прогноза землетря­ сений, поиска и разведки нефтегазовых месторождений, пока­ завший высокую эффективность созданных МГД-генераторов;

—на основе опыта эксплуатации установок в полевых ус­ ловиях сформулированы требования к специализированному геофизическому твердотопливному МГД-комплексу нового по­ коления с мощностью в нагрузке 16 МВт. Опытный образец

такого МГД-генератора изготовлен в 90-х годах и прошел стендовые энергетические испытания.

Глава 9

МАЛОПЛАМЕННЫЕ РАКЕТНЫЕ ТОПЛИВА И ИНГИБИРУЮЩИЕ ПОЖАРОТУШАЩИЕ СОСТАВЫ

НА ИХ ОСНОВЕ

9.1Малопламенные ракетные топлива

Всоставе продуктов сгорания практически всех баллиститных артиллерийских порохов и ракетных топлив, как было показано ранее, вследствие значительного недостатка кислоро­ да содержится большое количество недоокисленных продук­

тов, в том	числе	СО и	Н2 до 60%	и более. При смешении
с воздухом	при	выбросе	из ствола	артиллерийского орудия

или из сопла ракетного двигателя эти газы, имеющие темпе­ ратуру свыше 2000°С, догорают до С02 и Н20 с выделением значительной энергии. Именно эта энергия и является причи­ ной яркого пламени, сопровождающего артиллерийский вы­ стрел или работу ракетного двигателя (РД). Эта энергия могла бы существенно повысить полезную работу пороховых газов при условии ее реализации в канале ствола или в камере сго­ рания ракетного двигателя. В существующих вариантах арторудий и РД она, по меньшей мере, бесполезна, а в двух слу­ чаях является не только нежелательной, но и неприемлемой: при ночной стрельбе из арторудий пламя является демаски­ рующим фактором, а в авиационных ракетах пламя приводит к заглоханию двигателя самолета вследствие срыва газодина­ мической устойчивости турбины (помпаж).

Исследованиями догорания пороховых газов, т. е. по суще­ ству кинетикой двух реакций (СО + 0 2 и Н2 + 0 2) занима­ лись многие исследователи [139—157]. Наиболее вероятно цеп­ ной процесс окисления протекает по следующему механизму:

Н2	+ 0 2	20Н-
Н2	+ОН’	-> Н20 + Н*
о2	+ н- ->он- + о-
н2	+ о-	он- + н-
со + он- ->со2 + н-
со + о*		со2

Н. Н. Семенов [139], исследуя горение водорода, показал, что активными центрами реакции окисления являются ради­ кал — ОН*, а также атомы водорода и кислорода. Эти актив­ ные центры дают начало последующим элементарным реакци­

ям, что приводит к разветвлению цепей и резкому возраста­ нию скорости реакции.

Исследованиями [140, 141] установлено, что при истечении пороховых газов из сопла РД их догорание при смешении с воздухом происходит не у среза сопла, а на некотором рас­ стоянии от него, что определяется условиями истечения про­ дуктов сгорания из сопла и смешения их с воздухом.

Для снижения дульного пламени при стрельбе из артилле­ рийских орудий использовались следующие соединения калия: К2504, КС1, КИ03 и др. [142—147] и углеводороды: парафин и церезин.

Семеновым Н. Н. и рядом других исследователей [139, 148—150] было показано, что ингибирующее действие углево­ дородов основано на взаимодействии продуктов их разложе­ ния с активными центрами продуктов горения:

СН4 + ОН‘ -> СН3‘ + Н20

С3Н8 + Н*

С3Н7 + Н20

Менее активные углеводородные радикалы рекомбинируют с обрывом цепных реакций горения. Применение углеводоро­ дов в силу их невысокой эффективности как компонента П и ТРТ возможно в качестве сопровождающего пламегасителя. Введение их в состав пороха резко снижает энергетические ха­ рактеристики.

В качестве ингибиторов реакций окисления широко иссле­ довались галоидосодержащие соединения [151—156], механизм действия которых основан также на подавлении активных центров реакций окисления:

Н- + С1- -» НС1 Некоторые исследователи предполагают [157], что ингиби­

тором в данном случае является не хлор, а хлористый водо­ род.

На основе галоидосодержащих соединений прорабатыва­ лись как пламегасители, так и малопламенные артиллерийские пороха.

Многочисленными исследованиями в нашей стране и за рубежом установлено, что наиболее эффективными ингибито­ рами процесса горения порохов и двухосновных топлив на поздней стадии являются соединения калия [158—163].

Ингибирующее действие последних объясняется образова­ нием в продуктах сгорания газообразного КОН, взаимодейст­ вующего с активными радикалами по схеме:

КОН + Н ‘ К + Н20

кон + он* ко + Н20 к + он* -* кон

В табл. 78, 79 приведены свойства некоторых малопламен­ ных составов ракетных топлив, производимых у нас и за рубе­ жом.

Таблица 78

Химический состав и основные свойства малопламенных ракетных топлив

Наименование показателей							БНК-Р-2 |	Марка топлив
								Б-19К	| БНК |	БНК-В
					Химический состав, %
н ц							56,6	55,0	56,0	53,5
нгц, д н д э г							28,6	25,0	4 24,5	26,7
ДНТ, ДБФ							6,5	10,3	8,3	6,0
ДФА, централит							3,0	1,9	2,5	2,3
Калий азотнокислый							—	4,2	—	—
Гексанитрокобальтат				калия			—	—	5,5	—
Калий кислый			виннокислый				—	—	—	6,0
Прочие							5,3	3,5	3,2	4,6
Термодинамические				характери­
стики									204,8	196,8
Удельный	импульс,			I,,	кгсс/кг		196,5	202,7
Температура		продуктов сгора­					1928	2155	2197	2007
ния в камере, Т„, К								151Р°.41	1,64Р0’41	1.21Р0-57
Зависимость		скорости			горения		0,45Р0,73
от давления		1ДР)
	Физико-химические и теплофизические характеристики
Плотность, /9, г/см3							1,60	1.61	1.62	1,61
Теплота горения, (?ж,					ккал/кг		740	826	840	783
Температура вспышки, Тпсп, ’С							—	168...170	177...178	—
Удельная	теплоемкость,					с,	—	1,53	1,43	—
кДж/(кгград)									0,24
Коэффициент			теплопроводно­				—	0,25		—
сти, Я, Вт/(м град)
Физико-механические характеристики при растяжении (Т = 293К)
Напряжение,		а,	кгс/см2				—	ПО	115,6	—
Деформация,		е,	%				—	8,1	9,1	—
Модуль упругости, Е,					кгс/см2		8620	3340	5211	—
					Взрывчатые характеристики				8...9
Критический		диаметр			детона­		—	—		3...5
ции, сЦ,	мм								10...12
Расстояние		передачи			детона­		—	—		—
ции, /, мм

Химические составы (масс. %) некоторых зарубежных малопламенных порохов

Наименование компонентов

нц

нг ц

Централит

Дифениламин

Диэтилфталат Этилцентралит Модификаторы Тринитротолуол Динитротолуол Триацетин Сульфат калия Нитрат калия

50,6...	52,1
32,6...	33,5
2,1...	3,1
—
8,0...	10,0
—
—
—
—
—
о 40	о

—

США		Япония
71,5	58,0	24,4
20,0	30,0	48,2
—	0,4	—
—	2,0	—
—	—	7,3
6,5	1.15	—
1,0	—	—
—	6,7	—
—	2,3	—
—	—	19,0
—	0,5	0,75
1,0	—	—

Таким образом, все малопламенные ТРТ содержат в каче­ стве пламегасящей добавки соединения калия, в основном, водорастворимые (КМ03, К2304 и др.). Применение нераство­ римого гексанитрокобальтата калия (ГНКК) было вызвано особенностями технологии БРТТ — приготовление пороховой массы в воде. С разработкой метода ввода водорастворимых соединений ГНКК был заменен в составе Б-19К на нитрат калия.

Топлива типа БНК и Б-19К обеспечивали надежную рабо­ ту РД типа С-24 и имели значительно уменьшенный форс пламени за соплом.

На рис. 106 показана работа двигателя на штатном топливе РСИ-60 и малопламенном типа БНК.

Энергомассовые характеристики зарядов и реактивная тяга двигателя в обоих случаях одинаковы, форс же пламени на составе БНК существенно ниже, что обеспечивает безопасный старт ракеты с борта самолета.

Исследования по механизму ингибирования реакций горе­ ния пороха в пламенной зоне и результативные разработки малопламенных топлив явились основой для создания весьма эффективных пожаротушащих и взрывоподавляющих уст­ ройств различного назначения [164].

Не вдаваясь детально в конструктивные особенности дан­ ных устройств, остановимся ниже более подробно на ингиби­ рующем способе пожаротушения углеводородных материалов.

316

9.2 Ингибирующие пожаротушащие составы и устройства генерации аэрозоля

Рассматривая закономерности горения конденсированных углеводородных материалов, которые являются источником большинства пожаров в промышленности, на транспорте и в

быту, следует отметить, что	в основных чертах	они	близки
к закономерностям горения	порохов.
В зоне пламенных реакций те же две реакции		(СО	+ 0 2,
Н2 + 0 2) являются ведущими, обеспечивающими		теплопоток

в конденсированную зону, осуществляющий ее прогрев и дест­ рукцию до радикалов, вступающих в первичные реакции. На этом этапе механизм горения большинства углеводородных материалов отличается от порохов отсутствием связанного ки­ слорода (-0]Ч02, -ТЧ02, -СЮ4 и пр.), легко вступающего в ре­ акции рекомбинации с высоким экзотермическим эффектом. Поэтому в отличие от порохов, основные закономерности го­ рения (включая скорость) определяются условиями смешения с кислородом воздуха и, следовательно, реакциями окисления углерода и водорода.

Если в порохах реакции доокисления углерода и водорода в пламенной зоне определяют светимость этого пламени, практически не влияя на скорость предыдущих цепных реак­ ций, то в углеводородных инертных (бескислородных) мате­ риалах прекращение реакций окисления кислородом воздуха равноценно прекращению горения.

Всвязи с этим на основании опыта разработки беспламенных артиллерийских порохов и ракетных топлив в плане конверсии были проведены широкие исследования аэрозолей, ингибирую­ щих процесс горения углеводородов. Аэрозоли генерируются при горении специальных пороховых составов с ингибитором (АОС)

ивпрыскиваются с высокой скоростью в очаг пожара.

Вкачестве ингибитора был выбран нитрат калия, показав­ ший высокую эффективность в беспламенных порохах.

Поскольку процесс ингибирования внешнего источника го­ рения отличается от ингибирования пламенных реакций горя­ щего пороха, необходимо было исследовать влияние несколь­ ких важных факторов:

— дисперсности исходной калийной селитры;

— содержания селитры в АОС;

— температуры аэрозоля;

— пожаротушащей концентрации аэрозоля и, соответст­ венно, ингибитора в объеме.

Влияние дисперсности калийной селитры на процесс горе­ ния известно со времен изобретения дымного пороха. Собст­ венно, само появление последнего и было связано с понима­ нием роли измельчения селитры. Однако эффективность ин­ гибирования внешнего источника горения могла быть напрямую и не связана с дисперсностью исходной селитры, так как последняя подвергается дополнительному диспергиро­ ванию в пламени горящего АОС.

Специально проведенные экспериментальные исследования по тушению горящего бензина в 0,3м3 камере образцами АОС с различной дисперсностью К>Ю3 (рис. 107) показали, что минимальная огнетушащая концентрация аэрозоля существен­ но зависит от дисперсности исходного К>Ю3.

Во ВНИИПО [165] были проведены исследования аэрозо­ ля, получаемого при горении различных АОС. В табл. 80 при­ ведены результаты анализа химического состава аэрозоля, дис­

	персности частиц		и огнетушащей концентрации.
									Таблица 80
			Свойства аэрозолей
			Химический состав АОС		Размер частиц,			Огнетушащая кон­
	Тйп АОС							центрация		(для геп­
			(с дожиганием)			мкм (%)
									тана),	г/м3
	ПТ-4, ПТ-50		К,С03-2Н20,		< 1 (60)				33...39
			с, кнс63,			1...2	(22)
			К1Ч02,	КОН,	2...5		(10)
			СО„ Ы2, СО, N			> 5 (8)			54...56
	ПАС-47,	ПАС-11	К>С03-2Н20,		< 1 (36)
			С, КОН, КС1		1...5 (40)
			С02, N.		> 5 (20)				36...50
	СБК.-2М,	ЗМ	К2С03-2Н20,		<	1 (52...58)
			КНС03> КОН, КС1		1...5 (20...32)
			С02,	N.	> 5 (10...12)				38...68
	СТК-5, 2МД		К-,С03-2Н20,		< 2 (42...52)
			кйо2)	КОН,	1...5 (38...40)
			кнео,.	к„от,	>	5 (8...20)
	Порошок	ПСБ-3	СО„	N1,	<	125 (90)			560
			ЫаНСОз
	(N3,00,)				>	100 (20)
	Порошок	П-2АП	>Ш4Н2Р04						150
	(аммофос)		(1ЧН4)2НР04		> 50 (60)
	Химический		состав	исследованных АОС					приведен
	в табл. 81.

Минимальная огне I ушатая концотраиия, г/м’

М)	100	и о	200	250	Дисперсность
					КШ.ь мкм

Рис. 107. Зависимость огнетушащей концентрации АОС ПТ-4 от дисперс­ ности исходной калийной селитры

							Таблица 81
		Химический состав некоторых АОС
				ПАС-11	ПАС-47	СБК-2М	сгк
	Показатели	ПТ-50	ПТ-4			(-ЗМ)	(5, 2МД
					М
							и др.)
	Технология	Б	Б	С	С	П	П
			Химический состав,		%		65...85
	К1ЧО,	50,0	63,0	60,0	80,0	70,0
	КС10.	—	—	15,0	—	—	—
	ЛД-70	20,0	___	—	—	___	—
	Триацетин	—	9,2	—	—	___	—
	Нитроцеллюлоза	17,5	13,8	—	—	___	—
	Углерод	10,0	9,0	—	—	—	—
	Добавки	Ост.	Ост.		15,0	12,0	12...15
	Идитол	—	—	—
	Дициандиамид	—	—	—	—	—	20,0
	ШЦДА)			20,0
	Каучуки					(12)

По результатам исследования аэрозольобразующих соста­ вов, содержащих в качестве ингибирующей добавки КМ0 3, видно, что в процессе горения АОС селитра подвергается хи­ мическим превращениям с одновременным диспергированием, причем, весьма существенно: с ~ 50 мкм до 1...2 мкм. По

320