1.2 Твердые ракетные топлива

Твердые ракетные топлива применяются в ракетных двигателях, ГГ, прямоточных и ракетно-прямоточных двигателях и гидроракетных двигателях. Их можно разделить на две группы: баллиститные (гомогенные), например, Н и НМ-2 (табл. 1.8) и смесевые (гетерогенные).

Смесевые твердые топлива содержат 20…30% связующего каучукообразного или смолообразного вещества, 60…80% окислителя и до 20% алюминия; имеются также составы, содержащие компоненты баллиститных и смесевых топлив. Возможно также применение в качестве горючего гидридов легких и тяжелых металлов. В качестве окислителей обычно применяют перхлорат аммония; возможно применение других твердых солей хлорной и азотной кислот, богатых кислородом (табл. 1.9).

В качестве горюче-связующего используются каучуки (полисульфидный, полиуретановый и др.), полимеры (полиэфирные, фенольные и эпоксидные смолы, полиизобутилен и др.), тяжелые нефтепродукты (асфальт, битум и др., табл. 1.10). В смесевые твердые топлива иногда добавляют также октоген и гексоген. Некоторые составы (с известной долей условности) смесевых твердых топлив США и их характеристики приведены в табл. 1.11 [18].

Обычные баллиститные и смесевые топлива не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к газогенераторным топливам. Поэтому разрабатывают специальные газогенераторные составы топлив с низкой температурой горения (см. последнюю колонку табл. 1.11), ограниченной сверху (жаропрочностью материалов клапанов, турбинных лопаток и других элементов проточной части) и снизу (устойчивостью горения топлива). Кроме того, ГГ иногда должны работать длительное время, и топливо должно иметь малую скорость горения. Для регулируемых ГГ предложен состав топлива, у которого скорость горения уменьшается с ростом давления (<0). Дополнительные требования могут предъявляться и к составу продуктов сгорания топлив для ГГ: отсутствие конденсированной фазы, коэффициент избытка окислителя должен быть не более единицы (обычно). Смесевые топлива применяют и в воспламенительных ГГ (двигателях запуска).

К смесевым твердым топливам можно отнести пиротехнические составы. Пиротехнические составы применяются как наполнители воспламенительных устройств и пироэнергодатчиков; возможно их применение и в ГГ.

Основные компоненты, входящие в пиротехнические составы, можно разбить на следующие группы (табл. 1.12):

1. Окислители – перхлорат калия KCIO, нитраты натрия Na NO, калия KNO, бария Ba(NO), перекись и хромат барияBaO, BaCrO и др.

2. Горючие – металлы (алюминий, магний, цирконий, бор, титан) и сплавы (алюминиево-магневый, циркониево-никелевый), неметаллы (фосфор, углерод и сера), неорганические соединения (сульфиды, фосфиды, силициды и др.), органические соединения.

Таблица 1.9

Характеристики твердых окислителей

Окислитель	Химическая формула	Плотность, г/см	Содержание кислорода, %
Перхлорат калия Перхлорат аммония Перхлорат лития Перхлорат нитрония Нитрат калия Нитрат аммония Нитрат лития	KCIO NHCIO Li CIO NOCIO KNO NHNO Li NO	2,50 1,95 2,43 2,25 2,11 1,73 2,38	46,2 54,5 60,2 66,7 47,4 60,0 69,6

Таблица 1.10

Горючее	Стехиометрическое отношение при горении в кислороде, кг/кг	Тепловой эффект реакции с NHCIO, кДж/г
Каучук бутадиен-стирольный Каучук полиуретановый Смола эпоксидная Полиметилметакрилат Алюминий магний	3,14 1,81 2,34 1,92 0,89 0,66	3,88 3,38 3,85 3,88 8,62 8,54

3. Цементаторы (связующие) – органические полимеры, обеспечивающие механическую прочность пиротехнических составов (идитол, канифоль, эпоксидные смолы, каучуки, этилцеллюлоза).

4. Другие добавки, играющие роль ускорителей или замедлителей горения или уменьшающие чувствительность составов к трению (флегматизаторы).

Для воспламенения смесевых твердых топлив с высоким содержанием NHCIO применяют пиротехнические смеси: KCIO - 26…50%, Ba(NO)- 15…17%, циркониево-никелевый сплав (50/50) – 32…54%, этилцеллюлоза – 3% (патент США).

В воспламенительных устройствах применяют пиротехнические составы в виде прессованных таблеток. Плотность во многом определяется давлением прессования и колебания в пределах 1,3…2,8 г/см. удельная теплоемкость – 0,8…1,25 Дж/(кг*К), теплопроводность – 62,8…104,7 Вт/(м*К).

Таблица 1.12

Теплотворная способность пиротехнических составов

при стехиометрическом соотношении компонентов

Горючее	Окислитель	Теплотворная способность, кДж/кг
Бор и алюминий Дымный порох Сплав циркония с никелем Бор Циркониево-никелевый сплав с добавлением бора и алюминия Магний Алюминий	PbCrO KNO KClO Ba(NO) KClO (CF)n KClO	2100…2500 2500…2900 4200…4600 5400…5800 63…6700 9200 9600…10400

Скорость горения пиротехнических составов в условиях их работы в воспламенительном устройстве при обдуве таблеток высокотемпературными продуктами сгорания представляется в виде u=map, где m, a, v – эмпирические коэффициенты.

Пиротехническими твердыми топливами называют также составы с большим количеством металлического горючего (более 50%) и солями неорганическими кислот в качестве окислителя; они предназначены для ГГ ракетно-прямоточных двигателей (РПД).

Заряд смесевого ТРТ может быть выполнен в виде блока (блоков), таблеток или порошков.

В качестве экспериментальных порошковообразных горючих использовали алюминий, двойной декаборан алюминия, диборид бора и циркония, полиэтилен и т.п., а в качестве окислителя – перхлорат аммония, нитрат аммония и др. Частицы имели размер от 2 до 2000 мкм. В качестве флюидизирующих газов использовались инертные (азот), окислительные (воздух, кислород) и горючие (водород, метан).

Возможны следующие способы подачи псевдожидкости из бака в камеру сгорания: с помощью сжатого газа, поршня, винтового насоса и струйного насоса. Порошкообразные горючие применяются в комбинированных стендовых ГГ, позволяющих в широких пределах варьировать давление, температуру и состав продуктов сгорания с целью изучения воздействия многофазных потоков на материалы.

Порошкообразным топливом является дымный ружейный порох (ДРП) с диаметром зерна 0,15…1,25 мм и крупнозернистый дымный порох (КЗДП) с диаметром зерна 5,1…10,2 мм; состав в %: нитрат калия – 74; древесный уголь – 15,6; сера – 10,4; температура горения 2600К; расходный комплекс 1200 м/с.

Плотность зерна ДРП 1,75 г/см, насыпная плотность ДРП 0,9…1,15 г/см, минимальное давление устойчивого горения 0,1 МПа, температурная чувствительность=0,005 1/С.

Зависимость скорости горения от давления имеет вид

u=1,37*(p/98100).

Зажигание твердого ракетного топлива происходит при воздействии:

1. потока тепловой энергии (радиационный, контактный и конвективный нагрев);

2. потока химически высокоактивных газов или жидкостей вызывающих при контакте с поверхностью твердого топлива гетерогенную экзотермическую реакцию;

3. механического удара и трения.

Фактический процесс воспламенения в реальном РДТТ сложен. К числу главных трудностей при его изучении относятся проблемы определения управляющего механизма, выбора критерия воспламенения, определения химической кинетики предшествующих горению реакций, а также гетерогенный характер смесевых твердых топлив. При проведении опытов за начало воспламенения принимают:

1. первое появление пламени, регистрируемое фотографическим путем или фотоэлементом;

2. резкое изменение показаний термопары;

3. наступление уноса массы топлива.

Таблица 1.13

Механические характеристики ТРТ

Параметр	Топливо
	баллиститное	смесевое
Предел прочности, Н/мм Модуль упругости, Н/мм Коэффициент Пуассона	10…20 20…10 (Т=50С) 100…300 (Т=20С) 0,35…0,5	3…5 5…10 (Т=40С) 10…20 (Т=15С) 100…200 (Т=- 40С) 0,35…0,5

Эксплуатационный свойства твердых топлив определяются их физическими, механическими (табл. 1.13), теплофизическими (табл. 1.14), химическими характеристиками, а также физико-химическими характеристиками продуктов сгорания. Наряду с энергетическими, прочностными, теплофизическими показателями твердое ракетное топливо характеризуется взрывобезопасностью, чувствительностью к удару и трению, степенью токсичности и дымности продуктов сгорания, технологичностью изготовления и снаряжения, стабильностью физических и химических характеристик во всем объеме заряда (особенно на границах) при всех условиях эксплуатации.

Таблица 1.14

Теплофизические характеристики ТРТ

Топливо	Теплоемкость, Дж/г*К	Коэффи циент теплопроводности, Вт/м*К	Коэффи циент линейного расширения 1/К	Эксплуатационный интервал температур, С	Максимальная температура хранения, С
H HM-2 JPN HES-4016 AGC ANB-3066 CYN TP-Q-03011 ДРП	1,464 1,413 1,415 1,466 1,284 1,377 1,196 1,252 0,96	1,7 1,2 0,27 1,67 0,18 0,24 0,41 0,29 0,6	3,5*10 3*10 2*10 4,5*10 2,3*10 2*10 4*10 3,5*10 0,5*10	-40…+50 -40…+50 -30…+60 -35…+50 -35…+50 -55…+55 -55…+50 -35…+80 -50…+50	50 50 50 50 50 50 50 50 50