2.2. ГОМОГЕННЫЕ ТОПЛИВА

В гомогенном топливе горючее и окислитель содержатся в одной и той же молекуле. Классическим примером гомогенных топлив являются топлива, содержащие смесь нитроцеллюлозы и нитроглицерина (так называемые двухосновные ТРТ). Условная формула двухосновных порохов приблизительно такова: нитроглицерин плюс нитроцеллюлоза причем При содержание азота в пороховой массе 14,14%, но для изготовления ракетных топлив обычно применяют нитроцеллюлозу с содержанием азота 13,25%. Нитроцеллюлоза обеднена кислородом на по отношению к стехиометрическому количеству кислорода, необходимому для сжигания горючих элементов вещества, тогда как нитроглицерин переобогащен кислородом на . Таким образом, стехиометрическое соотношение для нитроглицерина и нитроцеллюлозы в двухосновном топливе составляет 8,57. Нитроцеллюлоза имеет белый цвет и волокнистое строение, а нитроглицерин представляет собой маслянистую жидкость. Известно, что для желатинирования пороховой массы нельзя использовать более чем 43,5% нитроглицерина. Иногда для улучшения механических свойств топлива нитроглицерин вводят в меньших количествах. Получение топлив с требуемыми свойствами достигается введением в рецептуру пластификаторов, таких, как диэтилфталат, и стабилизаторов, таких, как дифениламин или этилцентралит (дифенилдиэтилмочевина). Двухосновные топлива широко использовались вплоть до 1960-х гг. вследствие того, что они имеют состав, сходный с составом хорошо изученного черного ружейного пороха, а также благодаря хорошим баллистическим свойствам.

На рис. 6 приведены баллистические и термодинамические характеристики типичного двухосновного топлива (зависимость скорости горения от рабочего давления в камере сгорания и зависимость давления в камере от степени расширения сопла). На рис. 7 и 8 представлен ряд параметров, необходимых при выборе марки топлива (скорость горения в зависимости от удельного импульса и удельный импульс

Рис. 6. Баллистические свойства типичного двухосновного топлива JPN [154].

в зависимости от температуры в камере). На основе этих зависимостей можно сделать некоторые общие выводы: удельный импульс возрастает с повышением температуры горения, а скорость горения пропорциональна удельному импульсу. При увеличении содержания нитроглицерина в топливе температура горения, удельный импульс и скорость горения возрастают.

Величина удельного импульса двухосновного топлива может достигать 250 с в условиях на уровне моря при давлении Введением в рецептуру топлива твердых частиц окислителя, например перхлората аммония можно увеличить удельный импульс до 265 с. Чтобы улучшить механические характеристики заряда, можно ввести в рецептуру топлива пластические связующие вещества, подобные тем, которые используются в смесевых топливах. Такие твердые ракетные топлива называются модифицированными двухосновными ТРТ.

2.2.1. ПРОИЗВОДСТВО

Типичное двухосновное топливо представляет собой коллоидную смесь, и его можно назвать гомогенным раствором нитроцеллюлозы в нитроглицерине. В промышленном производстве

(кликните для просмотра скана)

нитроцеллюлозу получают как продукт обработки хлопковых волокон концентрированной азотной кислотой (такую нитроцеллюлозу называют нитроклетчаткой). В целях предосторожности нитроцеллюлозу хранят во влажном состоянии. Отправным пунктом в технологической цепи получения двухосновного топлива является процесс растворения. Нитроцеллюлозу и нитроглицерин смешивают в присутствии растворителя нитроцеллюлозы, после чего получается клейкая пороховая масса. На следующем этапе эту массу продавливают под давлением через профилирующие головки для получения заготовок порохового заряда. Поскольку топливо при этом еще содержит значительное количество растворителя, заготовки высушивают, продувая над ними горячий воздух. Такой способ производства использовался, например, при создании зарядов для противотанкового гранатомета «Базука». Получаемое в результате такого технологического процесса топливо обладает высоким качеством, однако толщина заготовок ограниченна и составляет не более 7-8 мм. Кроме того, такое топливо трудно поддается ингибированию.

Дальнейшим развитием технологии изготовления ТРТ явилась разработка метода экструзии без растворителя. Нитроцеллюлозу и нитроглицерин смешивают в большом резервуаре с водой, оборудованном мешалкой. Нитроглицерин абсорбируется нитроцеллюлозой, и по достижении требуемого состава воду отделяют центрифугированием. Затем клейкую пороховую массу пропускают через нагретые вальцы для выпаривания оставшейся воды. Далее ее продавливают прессом через профилирующие головки, и она принимает окончательную форму. В такое топливо легко ввести ингибитор, например ацетилцеллюлозу или этилцеллюлозу. Однако такой метод экструзии непригоден для получения твердотопливных зарядов, поверхностно связанных с корпусом двигателя. Этим методом можно изготавливать большие серии малоразмерных зарядов, как это делалось во время второй мировой войны, когда были изготовлены миллионы -дюймовых ракет «Хивар» и -дюймовых реактивных снарядов «Майти-Маус». Недостатком метода является то, что для него требуются большие прессы и дорогостоящие профилирующие матрицы. Для получения крупноразмерных твердотопливных зарядов сложной формы, скрепляемых по поверхности корпусом РДТТ, был разработан метод отливки. Технологический цикл начинается с получения цилиндрических гранул (высотой и диаметром нитроцеллюлозы в процессе, схематически показанном на рис. 9. Далее гранулы нитроцеллюлозы вместе с твердыми добавками (стабилизаторами; присадками, влияющими на скорость горения ТРТ; металлическим порошком) засыпают в литейную форму и заливают жидким нитроглицерином. В таких литейных формах получали

заготовки крупноразмерных шашек ТРТ с ацетилцеллюлозой (рис. 10).

Для скрепления зарядов ТРТ с корпусом двигателя внутреннюю поверхность камеры сгорания покрывают тонким слоем эпоксидной смолы, с которой при заливке и отверждении топливная масса образует прочную связь.

Наиболее современным является метод изготовления ТРТ с инертным разбавителем, называемый также методом быстрого

Рис. 9. Производство нитроцеллюлозного порошка для ТРТ [159]. а — готовые ингредиенты; б - смешивание; в — брикетировка; г — экструзия; д - гранулирование; е - сушка; ж - шлифование; з — просеивание; и — перемешивание; к — порошок.

Рис. 10. Процесс производства заряда ТРТ [159]. в — порошок; сборка литейной формы; в - засыпка; вакуумнрование; отливка; отверждение; демонтаж литейной формы; — механическая обработка; и — готовый заряд ТРТ.

Рис. 11. Схема технологического процесса производства ТРТ с инертным разбавителем [159]. 1 - резервуар с нитроглицерином; 2 — струйный смеситель; 3 — распылитель твердых материалов; 4 — питатель; 5 — заградительный резервуар; 6 — дегазатор; 7 — сепаратор; 8 — выходной канал; — крышка смесителя; 10 — вкладыш крышки; 11 - донный смеситель; 13 — агрегат для отливки; 14 — распылитель нитроглицерина.

смешения (рис. 11). Каждый из двух компонентов сначала разбавляют в инертном веществе, например -гептане, а затем потоки разбавленных компонентов направляют в струйный смеситель. Далее смесь поступает в сепаратор, где происходит отделение разбавляющего агента, а топливная масса заливается в формовочный блок (литьевую форму или непосредственно в камеру сгорания двигателя).

Модифицированное двухосновное ТРТ также получают методом отливки с использованием мелких сферических гранул нитроцеллюлозы (диаметр гранул от 5 до 50 мкм), применяемых в качестве связующего компонента топлива . В качестве пластификатора в топливе используется нитроглицерин . В состав топлива вводят также перхлорат аммония (40—50%) и, при необходимости, порошкообразные металлические присадки