книги / Ракетные твердые топлива. Ракетные двигатели на твердом топливе

определенный вклад в идентификацию методов и методологии по изучению вопросов обеспечения безопасности с учетом различных производственных фаз и различных ситуаций в операционной жизни топлива (такие как хранение, транспорт, сжигание).

Эти методы обеспечивают оценку основных рисков, которые должны быть рассмотрены в конкретной ситуации: горение (класс опасности 1.3) и детонацию (класс опасности 1.1). Полученные результаты анализа позволяют нам получить информацию о конструктивном исполнении будущих производственных отделений или о защитных мерах, необходимых дляперсонала иокружающей среды.

4.11.1. Правила безопасности при производстве эффективных твердых ракетных топлив на энергетическом полимерном связующем

Твердые ракетные топлива CMCD. Поведение заливочных порохов. Риски, которые могут иметь место при работе с заливочными порохами, подобны рискам при работе с гранулированными продуктами. Начиная с дефлаграции в ограниченном пространстве, они могут под воздействием неожиданного увеличения давления газообразных продуктов приводить к механическому взрыву в контейнерах или, еще хуже, к детонации. Этот процесс известен как явление перехода дефлаграции в детонацию (DDT). Следовательно, важно знать эти механизмы очень хорошо, чтобы правильно спроектировать подходящие отделения хранения и определить условия их применения, чтобы свести к минимуму возможные риски.

Стандартные тесты позволяют нам замерить критические вы-

соты взрыва (critical explosion heights – CEH) и высоту вызова дето-

нации (detonation height – CDH). Эти высоты могут уменьшаться:

с увеличением скорости горения пороха. Эта тенденция четко определилась у заливочных порохов, содержащих смеси октогена и перхлората аммония. Фактически, когда содержание перхлората аммония увеличивается за счет содержания нитрамина, то скорости горения увеличиваются при одновременном падении критических высот детонации (рис. 4.13);

191

Для топливных масс с содержанием твердых компонентов, принятом в массовом производстве, можно отметить следующее:

эти топливные массы, не показывают бурной реакции

втесте с падением 30 кг груза с высоты ниже 4 м;

применение перхлората аммония приводит к увеличению чувствительности топливных масс к трению; кроме того, в зависимости от природы и количества окислителя, то же самое поведение, как и у большинства чувствительных смесевых топлив может быть обнаружено;

зазор у топливных масс после смешения, измеренных с помощью французского теста, составляет менее 240 карточек.

4.11.2. Безопасность твердотопливных зарядов

Величины зазоров по французскому тесту эффективных топлив на энергетическом связующем составляют менее 180 карточек. Эти топлива в открытом объеме могут быть отнесены к классу опасности 1.3 – основная опасность этих топлив связана с процессом горения в соответствии с французским законом. Двухосновные топлива, которые, как мы знаем, используются во всем мире десятки лет без каких-либо проблем, имеют величины зазоров около 100 карточек. Увеличение величин зазоров, по сравнению с зазорами для двухосновных топлив связано с вводом взрывчатых веществ, а более точно – нитраминов. Явление перехода дефлаграции в детонацию или удара в детонацию, вообще, заключает в себе предварительную фрагментацию (дробление) топлив. Топлива с хорошими механическими свойствами поэтому позволяют свести к минимуму эти опасности. В этом отношении топлива XLDB, которые разработаны для применения в качестве прочно скрепленных зарядов, показывают отличное механическое поведение и обычно имеют хорошую сопротивляемость дроблению.

Твердые ракетные топлива CMCDB и XLDB, наполненные средним количеством нитраминов, не чувствительны к трению (поведение идентично поведению двухосновных топлив). В некоторой степени большая чувствительность твердых ракетных топ-

194

лив XLDB проявляется при более высоком содержании нитраминов (> 60 %). Перхлорат аммония является компонентом, повышающим чувствительность топлива как в неотвержденном, так и в отвержденном состоянии (рис. 4.15).

Рис. 4.15. Изменение чувствительности к трению твердых ракетных топлив XLDB с 70 % наполнителей как функция содержания перхлората аммония

Чувствительность к удару (тест падения 30 кг груза) твердых ракетных топлив CMCDB и XLDB не отличается сильно от обычных семейств топлив.

Твердые ракетные топлива XLDB, как оказывается, не чувствительны к электростатическому разряду. Но некоторые составы топлив CMCDB проявляют реакцию к мощным разрядам. Однако нормальная реакция твердых ракетных топлив к этому типу воз-

195

действия – спокойное горение (твердотопливный заряд вообще не подвергается какой-либо фрагментации).

Тепловые факторы – самовоспламенение и длительный нагрев (cook-off) – по-разному воздействуют на составы топлива с перхлоратом аммония и без него. Твердые ракетные топлива CMCDB и XLDB без перхлората аммония всегда имеют критическую температуру термоинициирования выше чем 100 °С; эти температуры имеют тенденцию к уменьшению, если размер заряда увеличивается. С другой стороны, топлива, содержащие перхлорат аммония, обычно показывают температуры термоинициирования ниже 100 °С, но они на зависят от размера заряда.

196

Глава 5 ГОРЕНИЕ ТВЕРДЫХ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ

Процесс горения в ракетной системе является весьма эффективным по сравнению с другими энергетическими установками, потому что температуры горения являются очень высокими; это ускоряет скорость химических реакций, помогая достичь почти полного сгорания. Энергия, высвобождаемая при горении, составляет от 95 до 99,5 % от возможного максимума. Этот показатель трудно улучшить. Проведено много интересных исследований по процессам горения в ракетных двигателях, и в настоящее время уже многое известно об этих процессах и поведении твердых ракетных топлив при горении. Разработчики ракетных двигателей рассматривают не столько процесс горения, сколько управление горением (начало и конец работы, тепловые эффекты) и предупреждение возникновения нестабильности горения.

5.1. Физические и химические процессы

Горение в твердотопливном двигателе включает в себя чрезвычайно сложные реакции, происходящие в твердой, жидкой и газовой фазах гетерогенной смеси. Еще не полностью поняты не только физические и химические процессы, протекающие при горении твердого ракетного топлива, но и имеющиеся аналитические модели горения, которые весьма упрощенные и ненадежные. Экспериментальные наблюдения горящих ракетных топлив показывают усложненные трехмерные микроструктуры, трехмерную структуру пламени, промежуточные продукты в жидкой и газовой фазах, различные процессы в пространстве и во времени, агломерацию окиси алюминия, отклики нелинейного поведения, образование частиц углерода (сажи) и другие сложности, еще недостаточно отраженные в математических моделях.

197

Некоторое понимание процесса горения может быть достигнуто благодаря исследованиям поведения основных ингредиентов, таких как перхлорат аммония. Этот окислитель способен к самодефлаграции с пределом горения при низком давлении, равном приблизительно 2 МПа, имеет четыре отличающиеся «пенообразующие» зоны в диапазоне давлений от 2 до 70 МПа, жидкую пену на поверхности кристалла при дефлаграции между 2 и 6 МПа и изменяет механизм передачи энергии (особенно в области давлений около 14 МПа). Его влияние на горение весьма сильно зависит от чистоты окислителя. Скорость регрессии (убывания) поверхности изменяется в диапазоне от 3 мм/с при 299 К и давлении 2 МПа до 10 мм/с при 423 К и давлении 1,4 МПа.

Различные полимерные связующие, используемые в составах смесевых твердых топлив, недостаточно охарактеризованы, их свойства при горении зависят от типа связующего, скорости нагрева и давления в камере сгорания.

Ввод порошкообразного алюминия (размером от 2 до 40 мкм), как известно, благоприятно влияет на увеличение удельного импульса и обеспечение стабильности горения. Фотографии горящих частиц алюминия показывают, что частицы в процессе горения обычно собираются в относительно большие скопления (100 и более частиц). Процесс горения этого ингредиента зависит от многих переменных, включая размер и форму частиц, поверхностную окисную пленку, связующее и окружающие волны горения.

Визуальные наблюдения и измерения пламени в простых экспериментах, таких как в приборе постоянного давления (strand burner), вносят определенный вклад в понимание процесса горения. Для двухосновных твердых ракетных топлив структура пламени при горении, как оказывается, является гомогенной и одномерной вдоль направления горения (рис. 5.1). Если тепло, выделяющееся при горении, расплавляет, разлагает и испаряет твердое топливо на поверхности горения, то получаемые газы оказываются уже предварительно перемешанными.

198

темной зоны уменьшается и более высокая теплопередача к поверхности горения приводит к увеличению скорости горения. Эксперименты в приборах постоянного давления в атмосфере инертного азота показывают это довольно четко: для давления 10, 20 и 30 атм толщина темной зоны 1,2; 3,1 и 4,0 мм соответственно, а при этом скорости горения 2,2; 3,1 и 4,0 мм/с. Полная длина видимого пламени становится короче по мере увеличения давления в камере сгорания, и выделение тепла на единицу объема вблизи поверхности также увеличивается. В яркой тонкой газифицирующей зоне или зоне горения прямо над горящей поверхностью двухосновного твердого топлива имеет место некоторое горение и высвобождение тепла. Нижняя часть – зона ожиженного пузырящегося топлива, которая, как полагают, является очень тонкой (менее 1 мкм) и называется зоной пенообразования или распада. Здесь температура для молекул топлива становится достаточно высокой, чтобы испаряться и разрываться, а также распадаться на небольшие молекулы, такие как NO2, альдегиды или NO, которые удаляются с пенящейся поверхности. Нижней частью является твердое топливо и слой, примыкающий к поверхности, нагревается за счет теплопроводности в пределах твердого топлива.

Катализаторы скорости горения, как оказывается, влияют на первичную зону горения, а не на процессы в конденсированной фазе. Они катализируют реакцию на поверхности или вблизи ее, увеличивают или уменьшают теплоприход к поверхности и изменяют количество горящего топлива.

Типичное пламя горящего топлива на основе ПХА/Al/HTPB выглядит несколько иначе (рис. 5.2). Здесь светящееся пламя, как оказывается, достигает горящей поверхности даже при низком давлении. Здесь отсутствует темная зона. Газообразные продукты разложения, обогащенные окислителем, при распаде ПХА диффундируют в обогащенные горючим газообразные продукты разложения из компонентов горючего, и наоборот. Некоторые твердые частицы (алюминий, кристаллы ПХА, небольшие фрагменты связующего или комбинации этих веществ) отрываются от поверхности, и час-

200