книги / Прогнозирование сроков служебной пригодности зарядов из порохов и твердых ракетных топлив

Пример вычисления ГэквПо результатам испытаний установлено значение Е = 104,67-103 Дж/моль (25 ккал/моль). Для заданного климатиче­ ского района установлено распределение температуры в течение года ин­

тервалами в 5 К, как это показано в табл.									1.
		По данным таблицы вычисляют							т0 = £Д ту = 3+30+139+491+1069+
+1203+1068+1014+1195+1339+793+391+32 = 8767.
						£	каждом интервале:
		Значения А ту ехр(-------) на
						RTj
i\	т	!	104670		ч	| n-2i		;
1)	3-ехр(----------------- ) = 1,23-10
		8,314-255,5
2)	30-ехр(-		104670		) = 3,17 • Ю-20;
		8.314-		260,5
3) 139-ехр(-			104670		) = 3,65-1О-19;
		8.314-		265,5
4) 491-ехр(-			104670		) = 3,09-10“18;
		8.314-		270,5
5)	1069-ехр(— ^ 46^				г) = 1,57-10'17;
			8,314-275,5
6) 1203 • ехр(-			104670		) = 3,98-10'17;
			8,314-280,5
7)	1068-ехр(— ^ 46I Q, J					= 7,7S-10~17;
			8.314-		285,5
			104670			) = 1,57-10"16;
8) 1014-ехр(-
			8.314-		290,5
9)			104670			) = 3,85 -10-16;
	1195ехр(-
			8.314-		295,5
			104670			) = 8,77-10-16;
10) 1339-ехр(-
			8,314-300,5
11)	793•ехр(-		104670			) = 1,03 -10“ ;
			8,314-305,5

12)

13)

сумма значений А ту ехр(-------) = 3,72-10'15.

RTj

Вычисляют эквивалентную температуру по формуле

•(-0,0236) =297,4 К.

2. Дымные пороха

Историки утверждают, что дымный порох (смесь калиевой селитры, серы и угля в различных соотношениях) появился в Индокитае около 3000 лет назад. Первые сведения о появлении дымного пороха на Руси относят­ ся ко второй половине XIV в. До конца XIX в. на протяжении более пяти столетий дымный порох был по существу единственным взрывчатым ве­ ществом, которое применялось для метательных целей, для снаряжения снарядов и для проведения всевозможных подрывных работ в военном де­ ле и в различных отраслях хозяйства.

Качество русских порохов было высокое, и они не уступали лучшим порохам иностранных государств. Не случайно поэтому датский послан­ ник в Петербурге в начале XVIII в. так писал о русском пороходелии того времени: «Вряд ли найдешь государство, где его (порох) изготовляли бы в таком количестве и где бы он по качеству и силе мог сравниться со здеш­ ним». Вместе с тем следует отметить, что при Петре I требования к поро­ хам были примитивными. Например, в них указывалось: «Порох должен быть добрым, сухим, чистым и сильным».

Если порох не удовлетворял этим требованиям, то его считали «к стрельбе непоносистым и к лежанию непрочным».

Дымный порох характеризуется высокой стабильностью свойств при нормальных условиях эксплуатации, так как компоненты пороха сами имеют высокую химическую стойкость. Дымный порох является малогиг­ роскопичным веществом, что обусловлено свойствами компонентов:

- древесный уголь обладает плохой смачиваемостью (гидрофобное вещество);

- калиевая селитра и сера имеют также малую гигроскопичность. Так, при температуре окружающего воздуха 20 °С и относительной

влажности 80% гигроскопичность дымного пороха составляет 1,22%.

Цвет пороховых зерен может изменяться от сине-черного до серова­ то-черного с металлическим блеском. Интенсивно черный цвет указывает на большое содержание в нем влаги.

Хороший (сухой) порох имеет достаточную механическую проч­ ность, пороховые зерна не разрушаются между пальцами и не пачкают рук.

С увеличением влажности дымного пороха снижается его воспламе­ нительная способность. При содержании влаги более 2% порох трудно воспламеняется, а при увлажнении до 15% вообще теряет способность воспламеняться. Отсюда значение слов «держать порох сухим» - быть го­ товым к защите, обороне.

Таким образом, особых проблем со стабильностью дымных порохов не возникало.

Длительный застой в развитии взрывчатых веществ и порохов в те­ чение многих столетий объяснялся низким уровнем естественных наук то­ го времени и, в частности, химии. В конце XVIII - начале XIX в. в ряде стран Европы зарождается капитализм. В этот период отмечается гигант­ ский скачок в развитии естествознания. Химия вышла из рамок схоластики и стала развиваться на научной основе. Особенно большое значение имело

возникновение новой отрасли химии - органической химии, в результате развития которой появилось новое сырье и различные методы использова­ ния природных материалов. Общий прогресс науки и промышленности вызвал небывалые до этого времени открытия в области физики, химии и, в частности, в области взрывчатых веществ и порохов. Одно за другим синтезировались взрывчатые вещества, превосходящие по силе дымный порох.

В 1832-1838 гг. была открыта нитроцеллюлоза, в 1847 г. в Италии был получен нитроглицерин. Но только примерно через полстолетия оба эти вещества были применены для изготовления бездымного пороха.

3. Бездымные пороха и заряды к ствольным системам

Первенство в изобретении бездымного пироксилинового пороха принадлежит французскому инженеру Вьелю. В 1885 г. после многочис­ ленных экспериментальных исследований он получил и испытал пирокси­ линовый пластинчатый порох, получивший название пороха В. Приготов­ ление пороха В состояло из операций: смешения сухого пироксилина (сме­ си растворимого и нерастворимого) со спиртоэфирным растворителем, уп­ лотнения пластичной массы на вальцах и получения роговидного полотна, резки полотна на пластинки и удаления из пластинок спиртоэфирного рас­ творителя сушкой.

В 1888 г. шведским инженером Альфредом Нобелем был предложен пироксилино-нитроглицериновый порох - твердый раствор коллодионного хлопка (коллоксилина) в нитроглицерине. Количество нитроглицерина в порохе Нобеля составляло 40...60%; позже в состав этого пороха добавля­ лись инертные примеси (например, камфара) для снижения скорости горе­ ния и дифениламин для повышения химической стойкости пороха. Порох

Нобеля под названием «баллистит» был принят на вооружение в Германии и Австрии и под названием «филлит» - в Италии.

Баллистит имел существенные преимущества перед пироксилино­ вым порохом. Он почти негшроскопичен и не увлажняется при хранении; его изготовление продолжается примерно один день, в то время как пирок­ силиновый порох должен был сушиться неделями и даже месяцами.

Другой тип нитроглицеринового пороха под названием «кордит» был предложен в 1889 г. Абелем и Дюаром в Англии. (Название кордит происходит от английского слова «cord» - шнур или струна} При изготов­ лении этого пороха применялся нерастворимый пироксилин, пластифика­ ция которого осуществлялась нитроглицерином и ацетоном в мешателях при обычной температуре; для повышения химической стойкости и сни­ жения скорости горения добавлялся вазелин. Принципиально способ при­ готовления кордита не отличается от способа приготовления пироксилино­ вого пороха.

Яркие страницы в историю пороходелия вписаны Д. И. Менделее­ вым и его сотрудниками в 1892 г. в результате работ по синтезу пирокол­ лодия и разработке на его основе бездымного пороха.

Новые бездымные пороха по сравнению с дымными были в 2-3 раза работоспособнее, горели строго параллельными слоями, почти не давали нагара, позволяли регулировать скорость горения путем изменения состава и формы. Вместе с тем вскоре после изобретения нитроцеллюлозных порохов было замечено, что они способны разлагаться при хранении их даже в обычных условиях, т.е. при нормальной температуре и относительной влажности воздуха. Особенно нестойкими были пороха, изготовленные в начальный период пороходелия.

Значительную долю (85...95%) нитроцеллюлозных порохов состав­ ляют компоненты, обладающие недостаточной термодинамической устой­ чивостью и способностью к самопроизвольному разложению. К таким

компонентам относятся нитраты целлюлозы, нитраты многоатомных спир­ тов и др. Специальными опытами по изучению разложения порохов при различных условиях было установлено, что пороха при своем разложении выделяют ряд кислых продуктов (окислы азота, азотная и азотистая кисло­ ты), способствующих дальнейшему разложению пороха по автокаталитическому типу.

Саморазложение порохов при определенных условиях происходило настолько глубоко и бурно, что заканчивалось иногда катастрофами. По­ скольку разложение пороха - процесс экзотермический, при больших мас­ сах пороха такое разложение может перейти в самовоспламенение и взрыв. Так, например, в 1907 г. на броненосце «Иена», находящемся на ремонте в Тулонском порту, произошел взрыв, в результате которого погибла боль­ шая часть экипажа.

Разложение пороха можно обнаружить по ряду внешних признаков. На поверхности разложившихся пороховых зерен появляются желтовато­ темные ореолы, вздутия, трещины. Разложившийся порох склонен к сли­ панию и имеет пониженную механическую прочность. Он становится хрупким, достаточно легко раздавливается при нажатии пальцами. При ин­ тенсивном разложении пороха над ним ощущается запах окислов азота, а при вскрытии герметичных коробов иногда можно наблюдать выделение бурых паров. Если порох находится в гильзах или картузах, то признаком разложения порохов может служить появление зеленого налета (окиси ме­ ди) на латунных гильзах, а также потемнение цвета картузов. Картузная ткань становится непрочной и легко разрушается.

Пороха в результате химических превращений могут изменять свою структуру, плотность, прочность, энергетические характеристики, скорость горения и другие свойства. Все эти изменения, в конечном счете, сказыва­ ются на баллистических характеристиках зарядов. При стрельбе зарядами из разложившегося пороха могут наблюдаться отказы в действии элемен­

тов выстрелов, недолеты, неправильное действие у цели снарядов, мин,

PNRPU

гранат и боевых частей и др. Пороха с признаками разложения, а также заряды, показавшие неудовлетворительные результаты при баллистиче­ ских испытаниях, считают непригодными для боевого применения и дли­ тельного хранения.

В силу этого служебная пригодность зарядов из нитроцеллюлозных порохов определяется глубиной химических превращений. Химическая стойкость отражает способность изучаемого объекта сопротивляться лю­ бому химическому превращению, как в процессе испытания, так и при его хранении. Химическая стойкость определяется природой и содержанием компонентов, качеством исходного сырья, условиями производства и экс­ плуатации.

Химическая стойкость нитроцеллюлозных порохов оценивается с помощью так называемых проб, основанных на определении времени до некоторой заданной степени превращения образцов, выдерживаемых при повышенных температурах. Старейшим методом оценки химической стойкости порохов является лакмусовая проба, предложенная Вьелем для оценки стойкости пироксилиновых порохов (ПП) еще в XIX в. Подробно методы оценки химической стойкости порохов будут рассмотрены в раз­ деле 2, а здесь мы скажем только, что простая проба Вьеля основана на на­ гревании 10 г пороха при температуре 106,5 °С в герметически закрытых цилиндрах с наличием лакмусовой бумажки. Испытание проводят до крас­ ного окрашивания синей лакмусовой бумажки, но не более 7 ч.

По результатам простой лакмусовой пробы оценивают хи­ мическую стойкость пороха в данный момент. В зависимости от по­ лученных результатов пороха делят на химически стойкие, понижен­ ной химической стойкости, химически нестойкие.

Пороха нестойкие подлежат немедленному выделению на от­ дельное хранение и уничтожение установленным порядком.

Кроме химической стойкости к порохам предъявляются требования по физической стабильности.

Физическая стабильность - способность порохов сохранять свои физические, физико-механические, реологические свойства в определен­ ных заданных пределах при различных внешних воздействиях. Пороха не должны увлажняться под действием влаги воздуха, изменять свою перво­ начальную структуру за счет выделения жидких, кристаллических или га­ зообразных продуктов, изменять плотность и т. п.

Пироксилиновые пороха изготавливаются в виде зерен без канала, зерен с одним каналом, зерен с семью каналами, трубок и пластин. Для пи­ роксилиновых порохов толщина горящего свода (наименьшего размера порохового элемента, от которого зависит время горения пороха) находит­ ся в пределах 0,1...6,0 мм. Изготовление элементов тоньше 0,1 мм затруд­ нено по причине большого разброса толщины горящего свода. При толщи­ не горящего свода более 6,0 мм растворитель трудно удалить из пороха. Баллиститные орудийные пороха готовят в виде трубок с толщиной горя­ щего свода 1...5 мм. Минометные баллиститные пороха готовят в виде пластин, лент или колец с толщиной горящего свода 0,1... 1,0 мм.

Благодаря малым размерам пороховых элементов можно считать, что изменения при старении происходят одновременно во всем объеме поро­ хового элемента. Объект, в котором характеристики не зависят от коорди­ нат, называют системой с сосредоточенными параметрами. Кроме того, при исследовании стабильности характеристик порохов и зарядов к ствольным системам считают, что вся совокупность пороховых элементов, представляющая собой заряд, ведет себя как одно зерно и может характе­ ризоваться его свойствами.

Поэтому с появления первых нитроцеллюлозных порохов и до сере­ дины XX в. (появления зарядов РДТТ с большой толщиной горящего сво­ да) определение сроков служебной пригодности хранения производилось

на основании испытаний химической стойкости и физической стабильно­ сти порохов, входящих в заряд. Естественно, если заряд состоит из порохов нескольких марок, то оценку химической стойкости и запаса хими­ ческой стойкости заряда в целом производят по пороху с худшими показателями.

Обобщенным показателем стабильности порохов является со­ храняемость их характеристик в течение заданного срока хранения и

эксплуатации. Под сохраняемостью понимают соответствие харак­

теристики требованиям ТТЗ (нахождение в области допустимых зна­ чений). Обычно оценивают сохраняемость таких характеристик, как

и\ - единичная скорость горения, Q-* - теплота горения, химическая стойкость и содержание катализатора химической стойкости, удар­ ная прочность (применительно к артиллерийским порохам).

Методика оценки сохраняемости предусматривает нахождение

значения температурного коэффициента £ эфф при 4-5 температурах

по. результатам определения скоростей газовыделения манометриче­ ским методом («Вулкан», АУКС).

Задавая эквивалентную температуру для определенного клима­

тического района, из выражения

^у.х ^ссп	•ехр[■^эфф. / _ !			______ 1_\-т
	р	'	71		гр Л
			■*у.х		1 экв

находят время термостатирования гу.х (ускоренного хранения образ­ цов пороха), эквивалентное сроку служебной пригодности tccn в за­ данном климатическом районе. Термостатирование производят обычно при температурах 60 или 70 °С. После термостатирования определяют вышеназванные характеристики и оценивают их нахож­ дение в поле допустимых значений.

4.Твердые ракетные топлива и заряды РДТТ

В1928 г. в СССР впервые стартовала твердотопливная (или,как то­ гда называли, пороховая) ракета с зарядом из пироксилиново-тротилового пороха, а с 1935 г. широкое распространение получил баллиститный порох Н, по сути дела представляющий собой первое твердое ракетное топливо. Толщина свода твердотопливных зарядов тех времен достигала нескольких десятков миллиметров. В 1946 г. было обнаружено растрескивание шашек из баллиститных твердых ракетных топлив (БТРТ) при повышенных тем­ пературах и влажности. При выяснении причин данного явления простым наблюдением установлено:

-чем больше диаметр шашки при прочих равных условиях, тем она быстрее растрескивается; при равных диаметрах у бесканальных шашек целостность нарушается раньше;

-растрескивание шашки начинается, как правило, во внутренних слоях, затем на поверхности с торцов появляются вздутия;

-время до растрескивания зависит от состава пороха, способа его изготовления, температуры, влажности и габаритов изделия.

Этот факт привел, в конечном счете, к тому, что заряды к ракетным двигателям на твердом топливе (РДТТ) стали рассматривать как системы с распределенными параметрами, где характеристики материала изделия зависят не только от времени, но и от координат. Для таких зарядов были введены новые понятия, например, такие как термостабильность, соответственно были разработаны новые методы испытаний, о которых сказано в разделе 2.

Термостабильность - сопротивляемость зарядов из баллиститных твердых ракетных топлив разрушению вследствие происходящих в них процессов химического разложения. Количественной мерой термоста­ бильности является индукционный период - время до появления внутрен­