ЛЕКЦИЯ 4

Продукты сгорания твердого топлива оказывают воздействие на материалы тракта и для массового совершенства тепловой защиты ДУ необходимо выбирать или создавать рецептуры с меньшим значением величины и с большим значением величины газовой постоянной , т.е. с меньшей молярной массой продуктов сгорания.

Кроме того, кислородосодержащие компоненты продуктов сгорания вступают в гетерогенные реакции с материалами тепловой защиты тракта твердотопливного двигателя, и происходит их унос (исчезновение массы бесконечно малыми частицами). Показателем такой «агрессивности» рабочего тела к углеграфитовым материалам служит окислительный потенциал продуктов сгорания

(4.1)
где , - молярная масса и концентрация кислородосодержащих компонент, - молярная масса углерода.

Смесевые топлива имеют значения , а для баллиститных ввиду отсутствия металлических добавок характерны большие значения . В ЖРД также возможно окисление нагретых металлических элементов тракта.

Рассмотрим смесевые твердые топлива, позволившие создать твердотопливные баллистические ракеты межконтинентальной дальности. Основные компоненты такого топлива резко отличаются друг от друга по физическим свойствам: горючее–связующее есть эластичный полимер, а окислитель - твердое кристаллическое вещество. Кроме того, топливо содержит и горючие добавки в виде легких металлов. Поэтому соотношение горючего и окислителя в топливе должно удовлетворять требованиям как по энергетической эффективности , так и прочностных свойств заряда.

Смесевые твердые топлива позволяют реализовать более оптимальные значения коэффициента избытка окислителя , а добавки металлов повышают температуру сгорания. Предельно возможное соотношение компонентов определяется соотношением

(4.2)
и обычно не достигается лучшего с позиций удельного импульса значения коэффициента избытка окислителя. Именно поэтому твердые топлива имеют меньшее значение удельного импульса относительно жидких.

В качестве горючих–связующих нашли применение полиуретаны, бутадиеновые каучуки, полиэфиры, эпоксидные смолы и различные сополимеры. Рассмотрим некоторые из них.

Полиуретанами называют полимеры, в составе которых находится аминоэфирная группировка атомов. В отвержденном состоянии они представляют собой прозрачную коричневого цвета высокоэластичную прочную каучукообразную массу. Применяют полимер СКУ-1 (синтетический каучук уретановый) с плотностью пределом прочности при растяжении 55 МПа и температурой хрупкости 220 К.

Эпоксидные смолы представляют собой термореактивные полимеры, содержащие в молекулах концевые функциональные группы, именуемые оксиэтиленовыми. Смола ЭД-5 имеет плотность , предел прочности при растяжении 80 МПа.

Полибутадиен является термопластичным полимером, благодаря наличию двойной связи обеспечивается прочная структура. Отвержденный полимер представляет собой упругую полупрозрачную массу. В отечественной практике используют горючее-связующее на основе полибутадиена в виде сополимера бутадиена, акрилонитрила и метакриловой кислоты – СКН (синтетический каучук нитрильный) с плотностью и пределом прочности при растяжении 20 МПа.

Обратимся к твердым окислителям смесевых топлив. Ими являются соли азотной и хлорной кислот, нитраты и перхлораты. Наиболее рациональным сочетанием энергетических, физико-механических и эксплуатационных показателей обладает перхлорат аммония , и он является уже более 40 лет окислителем в составе отечественных и зарубежных смесевых топлив. ПХА представляет собой кристаллическое вещество ромбической структуры с плотностью , хорошо растворяющееся в воде, метиловом спирте и жидком аммиаке (известно жидкое однокомпонентное топливо ).

Энергетические возможности смесевых топлив с различными горючими-связующими и окислителем – перхлорат аммония (ПХА) показаны в таблице 4.1. Соотношения компонентов вычислены в соответствии с (3.5).

 

Таблица 4.1

Топливо	Горючее и его массовая доля	Окислитель и его массовая доля
№1	Синтетический каучук уретановый 0,176	ПХА 0,824
№2	Эпоксидная смола ЭД-5 0,1875	ПХА 0,8125
№3	Синтетический каучук нит –рильный 0,136	ПХА 0,864

 

Смесевые топлива обладают существенно большими значениями удельного импульса и плотности по сравнению с баллиститными топливами.

Для повышения удельного импульса и плотности топлива в его состав вводят энергетические добавки. Для этого используют легкие металлы, их гидриды и твердые органические соединения с большим содержанием кислорода и высокой энтальпией образования.

Рассмотрим смесевые топлива с добавками алюминия. Используя рецептуры таблицы 4.1с добавкой 18% ( ) за счет доли окислителя (долю горючего-связующего уменьшать нельзя из-за соображений прочности заряда). Показатели таких топлив приведены в таблице. Наличие алюминия в рецептуре приводит к появлению в продуктах сгорания конденсированной фазы – жидких частиц окиси алюминия, что приведет к потерям удельного импульса. Значение массовой доли k-фазы продуктов сгорания в корпусе двигателя также указано в таблице 4.2.

 

Таблица 4.2

Топливо	Горючее и его массовая доля	Окислитель и его массовая доля	Доля алюми-ния			z
№1	СКУ 0,17	ПХА 0,65	0,18			0,322
№2	ЭД-5 0,18	ПХА 0,64	0,18			0,316
№3	СКН 0,13	ПХА 0,69	0,18			0,313

 

Как видно из таблиц 4.1 и 4.2 добавка алюминия увеличивает теоретического удельного импульса и плотности топлива. Однако возникают потери удельного импульса из-за наличия k-фазы в продуктах сгорания, увеличивается температура рабочего тела, что увеличивает массу тепловой защиты.

Обратимся к добавке в виде бериллия , хотя токсичность продуктов сгорания топлива с добавками исключительно высока, и можно говорить о реализации таких рецептур только в двигателях высотных ступеней в экстремальной политической ситуации. Расчеты выполнены по аналогии с алюминием, результаты показаны в таблице 4.3.

 

Таблица 4.3

Топливо	Горючее и его массовая доля	Окислитель и его массовая доля	Доля бериллия			z
№1	СКУ 0,17	ПХА 0,65	0,18			0,4
№2	ЭД-5 0,18	ПХА 0,64	0,18			0,363
№3	СКН 0,13	ПХА 0,69	0,18			0,368

 

Использование дает существенный прирост удельного импульса при меньшей плотности топлива.

Рассмотрим применение гидридов металлов. Характеристики рецептур с добавкой гидрида алюминия ( ) приведены в таблице 4.4.

 

Таблица 4.4

Топливо	Горючее и его массовая доля	Окислитель и его массовая доля	Доля гидрида алюминия			z
№1	СКУ 0,17	ПХА 0,65	0,18			0,299
№2	ЭД-5 0,18	ПХА 0,64	0,18			0,297
№3	СКН 0,13	ПХА 0,69	0,18			0,295

 

Применение гидрида алюминия по сравнению с алюминием увеличивает удельный импульс, уменьшает долю k-фазы и температуру продуктов сгорания при некотором уменьшении плотности топлива.

Но наибольшим значение удельного импульса обладают топлива с добав-кой гидрида бериллия ( ), что показывают данные таблицы 4.5.

 

 

Таблица 4.5

Топливо	Горючее и его массовая доля	Окислитель и его массовая доля	Доля гидрида бериллия			Z
№1	СКУ 0,17	ПХА 0,65	0,18			0,358
№2	ЭД-5 0,18	ПХА 0,64	0,18			0,35
№3	СКН 0,13	ПХА 0,69	0,18			0,35

 

Если условия эксплуатации ракеты позволяют использовать топлива повышенной взрывобезопасности, то добавляют еще и нитросоединения в виде нитроаминов, например, оксоген . Он обладает высокой энтальпией, содержит много горючих элементов и кислорода. Применение его иллюстрирует пример на основе трех рецептур таблицы 4.2, принятых в качестве базовых. Результаты показаны в таблице 4.6.

Таблица 4.6

Топливо	Горючее и его массовая доля	Окислитель и его массовая доля	Доля алюминия	Доля оксогена			Z
№1	СКУ 0,17	ПХА 0,52	0,16	0,15			0,29
№2	ЭД-5 0,18	ПХА 0,49	0,18	0,15			0,3
№3	СКН 0,13	ПХА 0,54	0,18	0,15			0,28

 

Сравнение данных таблиц 4.2 и 4.6 показывает прирост удельного импульса при уменьшении температуры продуктов сгорания и доли к-фазы.

Таким образом, современный уровень промышленности твердых топлив представляет проектировщикам ракет возможности создания эффективных ракет. Конкретный выбор рецептуры происходит в ходе создания двигателей – добавки для регулирования скорости горения, уточнение доли металлической добавки с учетом потерь удельного импульса в реальной конструкции. Ясно, что ТТ уступают жидким с позиции удельного импульса, но обладают существенно большей плотностью и обеспечивают простоту эксплуатации ракеты.