Твердое ракетное топливо

 

Изобретение относится к области разработки твердого ракетного топлива баллистического типа. Сущность изобретения: ТРТ включает, мас.%: нитроцеллюлоза 54-62; нитроглицерин 24-28; динитротуол 8-12; централит или его смесь с дифениламином 1-3,3; оксид свинца 0,6-2,0; карбонат кальция 0,6-3,0; стеараты цинка или натрия 0,02-0,05; масло индустриальное или приборное 0,8-1,6; сульфорицинат 0,02-0,3. Изготовление и переработка топлива осуществляется по известной технологии изготовления двухосновных топлив. ТРТ обладает повышенными физико-механическими характеристиками, обеспечивает стабильность горения заряда в двигателе при температурах ±50^oC, в особенности при минусовых температурах. 1 табл.

Изобретение относится к области разработки твердого ракетного топлива баллистического типа.

Основными требованиями к топливам для ракетных зарядов являются высокая термическая устойчивость (физическая и химическая стабильность), повышенная механическая прочность, заданный уровень скорости горения и малая зависимость скорости горения топлива от давления при определенных условиях работы двигателя и, в особенности, обеспечение стабильной работы двигателя при минусовых температурах.

Известны двухосновные на базе нитроцеллюлозы твердые ракетные топлива (ТРТ), содержащие различные алифатические и ароматические соединения свинца и меди (салицилаты, ацетилсалицилаты, резорцилаты, дигидроксибензоаты и др.) для снижения зависимости скорости горения от давления и регулирования баллистических характеристик [1, 2, 3] Известно ТРТ на основе нитроцеллюлозы, нитроглицерина, содержащее модификаторы скорости горения [4] включающее, мас. нитроцеллюлоза 40.85, нитроглицерин 10.35, компоненты в разных сочетаниях из группы, содержащей сажу, графит, сульфат калия, диметилфталат, этилцентралит, триацетин, динитротолуол и окись свинца, -1,2.30, динитроацетонитрил натрия или калия как катализатор скорости горения 4.40.

Данное топливо взято в качестве прототипа, как наиболее близкое к предлагаемому ТРТ по компонентному составу. Однако это топливо не содержит стабилизатор горения и, следовательно, само по себе (без дополнительных решений по конструкции заряда) не способно обеспечить стабильную работу заряда в двигателе в широком температурном диапазоне, тем более при минусовых температурах при низких давлениях.

Задачей изобретения было создание твердого ракетного топлива с повышенными физико-механическими характеристиками, обеспечивающего стабильность горения заряда в двигателе при температурах +50.-60^oC, в особенности при минусовых температурах.

Стабильность горения заряда является одной из основных характеристик, определяющих применимость его в ракетном двигателе. Наряду с баллистическими характеристиками повышенная механическая прочность и качество зарядов определяют стабильность горения зарядов в РД, поскольку она может быть нарушена и в диапазоне рабочих режимов в следствие неравномерности горения из-за местного увеличения поверхности горения, например, по причине дефектности (наличия трещин, разноплотности) или частичного разрушения заряда вследствие недостаточной механической прочности, особенно при минусовых температурах. А при высокой начальной температуре может возникнуть излишняя пластичность при пониженной прочности заряда, что также отрицательно влияет на стабильность горения и ограничивает температурный диапазон эксплуатации заряда. Таким образом, разработка ТРТ, обеспечивающего стабильную работу зарядов из него в РД в широком температурном диапазоне, является актуальной задачей.

Задача была решена созданием ТРТ, включающего нитроцеллюлозу, пластификаторы-нитроглицерин и динитротолуол, стабилизатор химической стойкости-централит или его смесь с дифениламином, модификаторы горения-оксид свинца и карбонат кальция, а также технологические добавки-стеараты цинка или натрия, масло индустриальное или приборное и сульфорицинат при следующем соотношении входящих в топливо компонентов, мас.

Нитроцеллюлоза 54.62 Нитроглицерин 24.28 Динитротолуол 8.12 Централит или его смесь с дифениламином 1.3,3 Оксид свинца 0,6-2,0 Карбонат кальция 0,6-3,0 Стеараты цинка или натрия 0,02-0,05 Масло индустриальное или приборное 0,8.1,6 Сульфорицинат 0,02.0,3.

Изготовление и переработка топлива осуществляется по известной в отечественной практике технологии смешения компонентов в водной среде при температуре 283.313К с последующим отжимом массы до влажности 5.15 мас. вальцеванием при температуре валков 333.373К, сушкой таблетки до влажности 0,3. 1,0 мас. и прессованием изделий при температуре 336.358К и давлении 10.30 МПа.

В таблице приведены примеры предлагаемого состава, их свойства и характеристики.

Как видно из таблицы, разработанный состав топлива полностью обеспечивает достижение поставленных целей: стабильность горения заряда в двигателе и, что особенно важно, при низких температурах (до -60^oC) при одновременно высоких физико-механических характеристиках. При отработке предлагаемого ТРТ в опытных условиях ФЦДТ "СОЮЗ" было подтверждено, что разработанная рецептура является оптимальной по химсоставу и соотношению всех компонентов и полностью решает поставленные задачи. Так, снижение нитроцеллюлозы менее 54% ведет к снижению механической прочности и ударной вязкости, а повышение более 62%-к резкому ухудшению технологичности состава (наблюдается хрупкость и жесткость состава, отмечены вспышки при переработке образцов топлива на фазе вальцевания). Общий повышенный уровень содержания нитроцеллюлозы в предлагаемых составах ТРТ обеспечивает их повышенную механическую прочность.

Уменьшение содержания нитроглицерина менее 24% приводит к ухудшению процесса пластификации нитроцеллюлозы и снижению энергетических характеристик топлива и скорости горения, а увеличение свыше 28% при прочих равных условиях ухудшает зависимость скорости горения от давления, что влечет за собой увеличение разброса баллистических характеристик.

Динитротолуол (ДНТ) в составе ТРТ выполняет роль дополнительно пластификатора, повышая пластифицирующую способность нитроглицерина, одновременно при горении топлива способствуя получению продуктов сгорания с более низкой температурой и образованию в К-фазе углеродистого каркаса, при наличии которого катализатор-оксид свинца, проявляет наибольшую эффективность. Уменьшать содержание ДНТ менее 8% в предлагаемом составе ТРТ нецелесообразно, т.к. это приводит к снижению общего количества пластификатора и запредельно низкому соотношению между пластификатором и нитроцеллюлозой, которое не обеспечивает необходимой степени пластификации нитроцеллюлозы. Увеличение содержания ДНТ свыше 12% приводит к увеличению твердой фазы в продуктах сгорания топлива, а также к выкристаллизации продукта на поверхности зарядов при их длительном хранении. Если при хранении и эксплуатации зарядов ТРТ определяющими являются высокие температуры, то в таком случае необходимо в рецептурном составе повышать содержание нитроцеллюлозы (вводить на верхнем пределе), тем самым увеличивать его механическую прочность. При требовании к хранению и эксплуатации зарядов в условиях низких температур необходимо повышать эластичность при минусовых температурах. В этом случае целесообразно в рецептурном составе повышать содержание пластификатора с увеличением в нем доли дополнительного пластификатора-ДНТ.

В качестве стабилизатора химической стойкости ТРТ могут быть использованы централит (N,N'-диметил-N,N'-дифенилмочевина или N,N'-диэтил-N,N'-дифенилмочевина) или его смесь с дифениламином (ДФА). Содержание стабилизатора химстойкости менее 1% не обеспечивает необходимого запаса химстойкости зарядов в процессе их длительного хранения, особенно в условиях жаркого климата, и длительной эксплуатации при повышенных температурах. В этих условиях предпочтительно использовать смесь централита и ДФА. Увеличивать содержание стабилизатора химстойкости более 3,3% нецелесообразно, т.к. в больших количествах централит и ДФА могут оказывать на нитроцеллюлозу и нитроглицерин разлагающее (омыляющее) действие, приводя к обратному эффекту. Кроме того, централит и ДФА в больших количествах являются балластными веществами, снижающими энергетический уровень ТРТ.

Содержание оксида свинца менее 0,6% недостаточно для снижения зависимости скорости горения топлива от давления, показатель ν возрастает до 0,6, а увеличение свыше 2,0% не приводит к дальнейшему улучшению баллистических характеристик, но при этом ухудшает взрывчатые и энергетические характеристики топлива.

Использование карбоната кальция в качестве стабилизатора горения является предпочтительным в сравнении с другими тугоплавкими соединениями по ряду причин. В сущности стабилизатором горения является не сам карбонат кальция, а продукт его разложения-оксид кальция, который образуется при горении ТРТ в мелкодисперсном (молекулярном) состоянии, и в момент образования он обладает повышенной энергией (активностью). Температура плавления оксида кальция (2903K) выше, чем, например, диоксида титана (2143K) или оксида алюминия (2326K), следовательно, оксид кальция образует более прочную оксидную пленку на поверхности горения и более стабильную передачу тепла от слоя к слою, от газового потока к поверхности горения, обеспечивая тем самым более стабильный режим горения. Уменьшение содержания карбоната кальция менее 0,6% приводит к нестабильному горению зарядов при минусовых температурах, а увеличение свыше 3% не способствует дальнейшей стабилизации. Именно совместное использование катализатора (оксид свинца) и стабилизатора горения (карбонат кальция) снижает разброс и повышает стабильность баллистических характеристик.

Необходимые показатели реологических и технологических свойств ТРТ (удельное внешнее трение, напряжение среза, вязкостные характеристики и др.) обеспечиваются использованием в предлагаемой рецептуре в качестве технологических добавок сочетания таких компонентов, как смазочное масло, соль жирной кислоты и сульфорицинат, причем именно их совместное использование является более эффективным. Стеараты различных металлов, например, натрия или цинка, являются идентичными как по химическому строению, так и по комплексу физико-химических свойств, поэтому могут взаимозаменяться без изменения характеристик предлагаемого топлива. Аналогично взаимозаменяемы смазочные масла индустриальное и приборное масла. Содержание в составе масел более 1,6% и солей жирных кислот более 0,05% ухудшает когезию и адгезию компонентов. При этом одновременно снижается механическая прочность состава и ухудшается монолитность изделий. Уменьшение содержания масла менее 0,8% и стеаратов менее 0,02% ухудшает технологические свойства состава. В качестве технологической добавки, обеспечивающей равномерность распределения в композиции всех компонентов и сокращение времени их смешения, используется сульфорицинат (сульфированное касторовое масло), играющий роль поверхностно-активного вещества. Содержание его в составе более 0,3% приводит к повышенному пенообразованию и затруднению процесса отжима состава от водной среды, в которой проходит смешение всех компонентов, снижение же менее 0,02% не обеспечивает равномерное распределение компонентов топлива.

Таким образом, соотношение всех технологических добавок является оптимальным и обеспечивает технологичность процесса изготовления и качество полученных изделий из ТРТ.

В целом, разработанная рецептура ТРТ является оптимальной для решения поставленных задач, она гарантирует стабильную работу зарядов в двигателе и обеспечивает их эксплуатацию в широком температурном интервале (от +50^oC до -60^oC) вследствие достижения оптимальных баллистических и механических характеристик и физико-химической стабильности изделий.

Состав отработан в опытном производстве ФЦДТ "СОЮЗ", проведена оценка работоспособности и внутрибаллистических характеристик натурных зарядов, изделия рекомендованы для применения в объектах военного и гражданского назначения.

Формула изобретения

Твердое ракетное топливо, включающее нитроцеллюлозу, пластификатор-нитроглицерин и динитротолуол, стабилизатор химической стойкости, модификатор горения оксид свинца, технологические добавки, отличающееся тем, что оно в качестве стабилизатора химической стойкости содержит централит или его смесь с дифениламином и дополнительно содержит стабилизатор горения карбонат кальция, а в качестве технологических добавок стеарат цинка или стеарат натрия, масло индустриальное или приборное и сульфорицинат при следующем соотношении компонентов, мас.

Нитроцеллюлоза 54 62
Нитроглицерин 24 28
Динитротолуол 8 12
Централит или его смесь с дифениламином 1,0 5,5
Оксид свинца 0,6 2,0
Карбонат кальция 0,6 3,0
Стеараты цинка или натрия 0,02 0,05
Масло индустриальное или приборное 0,8 1,6
Сульфорицинат 0,02 0,3н

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2