Баллиститное топливо

Баллиститное топливо

Реферат

Изобретение относится к области разработки баллиститных ракетных твердых топлив для использования в системах различного назначения, например в авиационных ракетных системах (НАР); системах аварийного спасения (САС); активно-реактивных снарядах (АРС); зенитных управляемых ракетах (ЗУР), противотанковых управляемых ракетах (ПТУР) и др.

Эффективность работы ракетных систем во многом определяется эффективностью используемого в них топлива, которое должно обеспечивать устойчивую работу двигателя в заданном диапазоне температур.

Основными требованиями, предъявляемыми к топливам для ракетных зарядов, являются высокие энергетические характеристики, высокая механическая прочность, термическая устойчивость (физическая и химическая стабильность), регулируемая скорость горения и малая зависимость ее от давления и температуры, обеспечивающих стабильную работу двигательных установок в широком диапазоне температур (от 213 К до 333 К) и при высоких перегрузках (до 2000 g).

В зависимости от системы, в которой используется топливо, к топливу предъявляются специальные требования, например беспламенность, бездымность.

Предлагаемое топливо должно быть безопасным при изготовлении, хранении и эксплуатации.

За рубежом для регулирования баллистических характеристик и снижения зависимости скорости горения от давления и температуры двухосновных на базе нитроцеллюлозы твердых топлив используются алифатические и ароматические соединения свинца (салицилаты, ацетилсалицилаты, этилгексоаты, резорцилаты, дигидроксибензоаты и др.), свинцовые и медные соединения (как их окислы, так и органические и неорганические соли, комплексные сединения) (патенты США №3104190, кл. 149-98; 3228815, кл. 149-98, опубл. 11.01.66 г; 3450583. кл. 149-18, опубл. 17.06.69 г.; 4202714, кл. 149/109.4 и др.),

Однако эти топлива не содержат в качестве модификаторов процесса горения различные виды присадок, обеспечивающих специальные требования в зависимости от назначения топлива, и, следовательно, сами по себе без дополнительных решений по конструкции заряда не способны обеспечивать стабильную работу зарядов в двигателях при отсутствии пламени за соплом двигателя и при высоких перегрузках в широком температурном диапазоне от 213 К до 333 К, тем более при минусовых температурах и при низких давлениях.

Известно баллиститное топливо по патенту РФ №2090545 (БИ №18, 1997 г.), которое используется в противоградовых ракетах, обеспечивая стабильную работу двигателя при низких давлениях. Соединения калия в модификаторе горения выполняют роль окислителя в топливе (пламегасящие добавки).

Однако указанное топливо имеет низкое значение скорости горения (6,0-7,5 мм/с при температуре 293 К и давлении 4,0 МПа), высокую зависимость скорости горения от температуры при Р=10 МПа) и низкие энергетические характеристики (J_1(40/1)=203 c).

Известно баллиститное топливо по патенту РФ №2185356 (заявка №2000128189/02 от 10.11.2000 г.), которое имеет повышенную скорость горения с пониженной температурной зависимостью скорости горения и не имеет вторичного пламени за соплом двигателя.

Однако низкие энергетические характеристики (J_1(40/1)=205 c), пониженная механическая прочность, высокий уровень дымности (УМД=5-7 м²/кг) не позволяют обеспечить высокую эффективность действия снарядов при использовании их в современных видах оружия массового производства, например в противотанковых и зенитных управляемых снарядах (ЗУР; ПТУР) с оптико-лазерными и оптико-телевизионными средствами наведения; в активно-реактивных снарядах (АРС) с высокими центробежными перегрузками.

Известно баллиститное топливо по патенту РФ №2090544, С06В 25/18 (БИ №26, 1997 г.), содержащее нитроцеллюлозу, пластификатор - нитроглицерин и динитротолуол, стабилизатор химической стойкости, модификатор и стабилизатор горения, и технологические добавки, которое авторами выбрано в качестве ближайшего аналога.

Топливо обладает повышенными физико-механическими характеристиками, обеспечивает стабильность горения заряда в двигателе при температуре от 223 К до 323 К, в особенности при минусовых температурах.

Однако данное топливо имеет заданный уровень скорости горения (U_ГОР.=7,5-7,7 мм/с при давлении Р=4 МПа и температуре 293 К), низкий энергетический уровень (J_1(40/1)=206,3 с) и высокую дымность, что не позволяет использовать его в двигателях с разным временем работы в более широком диапазоне давлений (2,0-35 МПа) и температур (213 К-333 К).

Технической задачей изобретения является разработка высокоэнергетического высокопрочного беспламенного ракетного твердого топлива, обладающего высокой регулируемой скоростью горения и малой зависимостью ее от давления и температуры, работоспособного в двигателях с разным временем работы в диапазоне давлений 2,0-35 МПа и в интервале температур от 213 К до 333 К.

Задача решается созданием баллиститного ракетного твердого топлива, включающего нитроцеллюлозу, пластификатор - смесь нитроглицерина и динитротолуола, или смесь нитроглицерина, динитротолуола и дибутилфталата, или смесь нитроглицерина и динитроксидиэтилнитрамина (дина), или смесь нитроглицерина и 2,4 динитро-2,4 диазапентана (димер) или нитроглицерин; стабилизатор химической стойкости - централит или смесь централита и дифениламина, или смесь дифениламина и оксида магния, или смесь дифениламина, централита и оксида магния, или оксид магния; модификатор горения - оксиды металлов (II), (III) группы, или смесь оксида свинца и кальция углекислого, или смесь оксида свинца, кальция углекислого и технического углерода, или смесь калия сернокислого, кальция углекислого и технического углерода, или смесь диоксида титана и технического углерода, или смесь технического углерода, диоксида титана и фторопласта, или смесь технического углерода, калия гексанитрокобальтата (III) и калия азотнокислого, или смесь калия гексанитрокобальтата (III) и калия азотнокислого; технологические добавки - вазелиновое или индустриальное масло в расплаве с 0,02-0,08 мас.% цинка стеариновокислого или свинца в смеси с сульфорицинатом Е при следующем соотношении компонентов, мас.%:

пластификатор	30,0-44,0
стабилизатор химической
стойкости	0,6-5,5
модификатор горения	0,1-6,0
технологические добавки	0,7-2,3
нитроцеллюлоза	остальное

Требования к механическим характеристикам пороховых зарядов твердых топлив обуславливаются принятой конструктивной схемой двигателя и основными нагрузками, действующими на заряд в процессе эксплуатации и боевого применения, определяющими расчет прочности зарядов.

Высокое содержание нитроцеллюлозы (52-60 мас.%) в предлагаемом топливе обеспечивает его высокую механическую прочность.

Именно высокая механическая прочность топлива позволяет выдерживать большие перегрузки и скорости вращения при работе зарядов ракетных двигателей активно-реактивных снарядов.

Структурная неоднородность нитроцеллюлозы, высокое содержание ее в составе потребовало использования дополнительных пластификаторов; дибутилфталата, динитротолуола, дины и димера. Важное значение имеет соотношение между компонентами пластификатора. Так, например, для нитроглицерина и динитротолуола оптимально соотношение от 1:0,56 до 1:0,66; для нитроглицерина, динитротолуола и дибутилфталата - от 1:0,24:0,094 до 1:0,52:0,12; для нитроглицерина и дины - от 1:0,2 до 1:0,39; для нитроглицерина и димера - 1:0,47.

Динитротолуол, дибутилфталат, дина и димер ускоряют процесс взаимодействия нитроцеллюлозы с нитроглицерином, т.е. улучшают смачивание нитроцеллюлозы и увеличивают скорость диффузии пластификатора внутрь волокон нитроцеллюлозы, обеспечивая тем самым однородность распределения пластификатора в нитроцеллюлозе.

Динитротолуол и дибутилфталат в составе БРТТ одновременно с повышением пластифицирующей способности нитроглицерина при горении топлива способствуют получению продуктов сгорания с более низкой температурой и образованию в К-фазе углеродистого каркаса, при наличии которого модификатор горения проявляет наибольшую эффективность.

Соотношение полимера (нитроцеллюлозы) и пластификатора 60:40 оптимально с точки зрения физико-механических характеристик, термической устойчивости и технологичности топлива.

Расчетами удельного единичного импульса показано, что для предлагаемого топлива при соотношении полимер-пластификатор 60:40 замена части нитроглицерина на динитротолуол, дибутилфталат, дину, димер позволяет регулировать энергетические характеристики топлива. Так, удельный единичный импульс топлива меняется с 204,8 с до 226,3 с.

Поставленная задача регулирования скорости горения в широком диапазоне давлений 2-35 МПа и температур от 213 К до 333 К с малой зависимостью ее от давления и температуры обеспечивается введением в состав БРТТ модификатора горения.

Вид и содержание модификатора горения в составе предлагаемого топлива определяются режимом работы двигателя в требуемом интервале давлений и температур.

Обеспечение требуемых расходных и временных параметров стабильной работы двигателя в диапазоне температур от 213 К до 333 К и давлений от 2 до 35 МПа возможно при правильном выборе модификатора горения.

Так, например, скорость горения 5,6-5,8 мм/с при давлении 4 МПа достигается за счет использования в качестве модификатора горения оксида магния.

Калий гексанитрокобальтат (III) и калий азотнокислый в сочетании с оксидом магния повышает скорость горения предлагаемого топлива до 7,8 мм/с при этом улучшается зависимость скорости горения от давления (ν˜0,4).

Оксид магния в составе предлагаемого топлива ввиду большой величины удельной поверхности (3-21 м²/г) проявляет свойства как стабилизатора химической стойкости, так и модификатора горения.

Оксид свинца в сочетании с кальцием углекислым увеличивают скорость горения предлагаемого топлива до 9,7 мм/с, а оксид свинца в сочетании с кальцием углекислым и техническим углеродом повышают скорость горения до 10,7 мм/с.

Кальций углекислый в сочетании с калием сернокислым и техническим углеродом обеспечивают скорость горения топлива - 11,2 мм/с; а технический углерод, диоксид титана и фторопласт повышают скорость горения топлива до 13 мм/с.

В качестве технического углерода в составе предлагаемого топлива используется сажа либо графит.

Технический углерод в составе топлива активизирует действие модификатора горения топлива, причем применение фторопласта усиливает это действие, т.е. проявляется синергетический эффект, что приводит к расширению пределов регулирования скорости горения.

При использовании кальция углекислого модификатором горения является продукт его разложения - оксид кальция, образующийся при горении БРТТ в мелкодисперсном (молекулярном) состоянии.

Именно в момент образования он обладает повышенной активностью. При горении топлива оксид кальция, как и диоксид титана, оксид магния, оксид свинца образует оксидную пленку на поверхности горения и способствует стабильной передаче тепла от слоя к слою, от газового потока к поверхности горения, обеспечивая тем самым стабильный режим горения. Выбор вида модификатора предлагаемого топлива зависит от соответствия температуры плавления оксида кальция (2903 К), оксида магния (2825 К), диоксида титана (2143 К), оксида свинца (1161 К) температурным режимам работы используемых модификаторов горения в каждой конкретной композиции.

Беспламенность предлагаемого топлива достигается за счет использования специальных добавок, содержащих калий в своем составе (калий сернокислый, калий азотнокислый, калий гексанитрокобальтат (III)), обладающих способностью предотвращать прохождение вторичных реакций доокисления продуктов сгорания за соплом двигателя.

Необходимые показатели реологических и технологических характеристик топлива обеспечиваются использованием технологических добавок - вазелинового или индустриального масла в расплаве с 0,02-0,08 мас.% стариновокислого цинка или свинца в смеси с сульфорицинатом Е, позволяющими безопасно изготавливать и эксплуатировать заряды в двигателе. Стеараты металлов, например цинка или свинца, являются идентичными как по химическому строению, так и по комплексу физико-химических свойств, поэтому могут взаимозаменяться без изменений характеристик предлагаемого топлива.

Используемые стабилизаторы химической стойкости - дифениламин, централит и оксид магния - обеспечивают последующее длительное хранение и эксплуатацию зарядов из топлива в интервале температур от 213 К до 333 К.

Предлагаемое топливо изготавливается и перерабатывается по существующей известной технологии производства отечественных двухосновных топлив.

Предлагаемая рецептура топлива является оптимальной для решения поставленных задач, она гарантирует стабильную работу зарядов в двигателях с разным временем работы в диапазоне давлений 2-35 МПа и в интервале температур от 213 К до 333 К.

Конкретные примеры композиции топлива и основные его характеристики представлены в таблице.

Данные таблицы свидетельствуют, что поставленная задача полностью решается благодаря введенным компонентам и их оптимальному соотношению: заряды из предлагаемого высокоэнергетического состава БРТТ стабильно горят в двигательных установках с разным временем работы при температурах от 213 К до 333 К в диапазоне давлений 2-35 МПа при высоких механических свойствах с необходимым уровнем баллистических характеристик и не образуют вторичного пламени за соплом двигателя.

Таблица.
Примеры композиции и основные характеристики предлагаемого топлива.
Наименование компонентов	Значение показателей
Обр. 1	Обр. 2	Обр. 3	Обр. 4	Обр. 5	Обр. 6	Обр. 7	Обр. 8	Обр. 9	Обр. 10	Обр. 11
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Химический состав, мас.%
Нитроцеллюлоза	53,8	56,9	58,7	55,3	55,6	55,7	54,8	55,0	56,0	57,6	58,0
Нитроглицерин	27,0	26,0	26,0	25,0	24,5	28,2	34,3	39,3	38,6	26,0	26,7
Динитротолуол	15,0	11,7	8,0	5,8	6,0	-	-	-	-	-	-
Дибутилфталат	-	1,7	3,0	2,2	2,3	-	-	-	-	-	-
Динитроксидиэтилнитрамин (дина)	-	-	-	-	-	11,0	6,8	-	-	-	-
2,4-динитро-2,4диаза-пентан (димер)	-	-	-	-	-	-	-	-	-	12,3	12,2
Дифениламин	-	0,3	-	0,5	0,5	-	-	0,3	0,1	-	-
Централит (II)	-	-	-	1,9	2,0	1,1	0,9	1,2	1,1	1,0	0,7
Оксид магния	2,0	2,3	3,0	2,0	1,9	-	-	-	-	-	-
Оксид свинца	-	-	-	-	-	0,5	0,2	-	-	-	-
Диоксид титана	-	-	-	-	-	-	-	-	-	1,2	0,8
Калий гексанитрокобальтат (III)	-	-	-	5,4	5,5	-	-	-	-	-	-
Калий сернокислый	-	-	-	-	-	-	-	0,1	0,4	-	-
Калий азотнокислый	-	-	-	0,2	0,1	-	-	-	-	-	-
Кальций углекислый	-	-	-	-	-	2,7	2,0	3,0	2,7	-	-
Углерод технический	-	-	-	0,3	-	-	0,1	0,4	0,1	0,1	0,2
Фторопласт-4	-	-	-	-	-	-	-	-	-	1,0	0,8
Вазелиновое или индустриальное масло в расплаве с 0,02-0,08 мас. %стеариновокислого цинка или стеариновокислого свинца	2,0	1,0	1,0	1,1	1,2	0,6	0,7	0,54	0,5	0,65	0,5
Сульфорицинат Е	0,2	0,1	0,3	0,3	0,4	0,2	0,2	0,16	0,2	0,15	0,1
Характеристики
Удельный импульс (JP), Н·с/кг (кгс·с/кг) при Рк/Ра=3,92/0,098	2051 (209,1)	2044 (208,4)	2038 (207,7)	2009 (204,8)	2009 (204,8)	2186 (222,8)	2220 (226,3)	2209 (225,2)	2207 (225,0)	2237 (228,0)	2237 (228,0)
Температура продуктов сгорания, К, в камере (Тк) при Рк=3,92 МПа	2258	2263	2264	2195	2197	2726	2807	2819	2805	2773	2770
На срезе сопла (Та) при Ра=0,098 МПа	1084	1096	1105	1075	1079	1403	1461	1479	1475	1411	1405
Плотность, ρ г/см3,	1,60	1,61	1,62	1,62	1,62	1,63	1,63	1,64	1,64	1.60	1,60
Удельная теплота горения, Qж, кДж/кг (ккал/кг)	3645 (870)	3687 (880)	3708 (885)	3520 (840)	3520 (840)	4466 (1066)	4550 (1086)	4693 (1120)	4651 (1110)	4651 (1110)	4860 (1160)
Скорость газовыделения при температуре термического разложения Т=383 К, W, см3/(г·ч)	0,20	0,20	0,20	0,20	0,20	0,30	0,30	0,40	0,40	0,35	0,35
Прочность при растяжении, МПа, при
Т=293 К	7,20	7,22	8,00	11,0	10,79	15,90	16,0	8,76	8,90	11,4	11,6
Т=323 К	1,20	1,00	1,30	5,25	5,05	3,86	3,55	2,25	2,37	1,58	1,60
Прочность при сжатии, МПа, при
Т=293 К	11,65	11,58	11,85	15,3	15,12	13,0	13,2	8,6	8,9	11,4	12,5
Т=323 К	1,10	0,90	1,15	1,8	1,3	3,26	3,30	1,35	1,4	2,34	2,9
Удельная ударная вязкость, кДж/м2 при
Т=293К	22,5	23,6	24,0	22,3	20,8	22,2	22,8	49,2	50,1	31,6	34,3
Т=223К	3,3	3,1	3,5	3,5	3,4	3,8	3,5	3,9	4,5	6,2	7,0
Скорость горения, мм/с, при температуре 293 К и давлении:
4,0 МПа	5,6	5,8	5,8	8,0	7,8	10,7	9,7	11,2	11,9	13,0	12,8
10,0 МПа	9,8	9,8	9,8	11,0	10,7	15,2	14,9	18,5	18,8	19,0	18,9
Показатель «ν» в законе скорости горения U=U1ρν в диапазоне давлений, МПа,
2,0...15,015,0...35,0	0,560,62	0,530,59	0,540,60	0,420,48	0,400,45	0,410,54	0,400,53	0,420,51	0,420,51	0,450,60	0,450,60
Удельная мощность дымообразования, м2/кг	4-5	4-5	4-5	4-5	4-5	4-5	4-5	4-5	4-5	4-5	4-5
	Обеспечивают снижение перегрузок	Выдерживают высокие перегрузки при отсутствии пламени за соплом двигателя	Выдерживают высокие перегрузки

1. Баллиститное твердое ракетное топливо, включающее нитроцеллюлозу, пластификатор, стабилизатор химической стойкости, модификатор горения и технологические добавки, отличающееся тем, что в качестве пластификатора оно содержит смесь нитроглицерина и динитротолуола в соотношении от 1:0,56 до 1:0,66 или смесь нитроглицерина, динитротолуола и дибутилфталата в соотношении от 1:0,24:0,094 до 1:0,52:0,12, или смесь нитроглицерина и дины в соотношении от 1:0,2 до 1:0,39, или смесь нитроглицерина и димера в соотношении 1:0,47, или нитроглицерин, в качестве стабилизатора химической стойкости - централит или смесь централита и дифениламина, или смесь дифениламина и оксида магния, или смесь дифениламина, централита и оксида магния, или оксид магния, в качестве модификатора горения - оксиды металлов (II), (III) группы или смесь оксида свинца и кальция углекислого, или смесь оксида свинца, кальция углекислого и технического углерода, или смесь калия серно-кислого, кальция углекислого и технического углерода, или смесь диоксида титана и технического углерода, или смесь диоксида титана, технического углерода и фторопласта, или смесь технического углерода, калия гексанитрокобальтата (III) и калия азотно-кислого, или смесь калия гексанитрокобальтата (III) и калия азотно-кислого, в качестве технологических добавок оно содержит вазелиновое или индустриальное масло в расплаве с 0,02-0,08 мас.% стеариновокислого цинка или свинца в смеси с сульфорицинатом Е при следующем соотношении компонентов, мас.%:

пластификатор	30,0-44,0
стабилизатор химической стойкости	0,6-5,5
модификатор горения	0,1-6,0
технологические добавки	0,7-2,3
нитроцеллюлоза	остальное.

2. Топливо по п.1, отличающееся тем, что в качестве технического углерода оно содержит сажу либо графит.