ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СВЯЗУЮЩИХ СТРТ

Смесевые твердые ракетные топлива представляют собой твердые гетерогенные взрывчатые системы, состоящие из смеси твердых окислителей, полимерных горючих-связующих специальных добавок, регулирующих технологические, энергетические и баллистические характеристики СТРТ.

Полимерные горючие-связующие выполняют в составе СТРТ следующие основные функции.

• - скрепляют все компоненты СТРТ в единый блок с необходимыми физико-механическими характеристиками;
• - обеспечивают требуемую плотность СТРТ, его энергетические и баллистические показатели;
• - позволяют получить нужную реологию топливной массы и делают возможным смешение высокочувствительных компонентов СТРТ.

Практически горючие-связующие должны обеспечивать весь сложный комплекс энергетических, технологических и эксплуатационно-экономических свойств СТРТ, определяющих способ переработки (и крепления с корпусом) топлива, физико-механические показатели, температурный диапазон эксплуатации топлива и, соответственно, области его использования.

Выбор горючих-связующих затрудняется тем обстоятельством, что в сложных системах, какими являются СТРТ, изменение содержания или природы одного из компонентов, как правило, отражается на свойствах системы в целом. Поэтому в зависимости от компонентного состава топлива, технических характеристик компонентов, конкретного назначения СТРТ, уровень и острота требований к горючему-связующему будут различными и достижимыми в разной степени.

Часто функции, выполняемые связующими в СТРТ, приходят в противоречие между собой, что вызывает необходимость поиска оптимальных решений.

Вследствие вышеизложенного, в настоящее время невозможно выбрать какое-либо одно высокомолекулярное соединение, которое полностью удовлетворяло бы сложному комплексу требований к связующим СТРТ.

На каждом этапе отработки СТРТ применялось связующее, обладающее в тот период наилучшими термодинамическими, технологическими и эксплуатационными характеристиками. В качестве связую щих СТРТ были изучены различные высокомолекулярные соединения: акриловые, фенолформальдегидные, полиамидные, полиэфирные, эпоксидные смолы, полисульфидные, полиуретановые (в том числе с эксплозофорными группами), полибутадиеновые каучуки, бутилкаучук, полиэтилен, поливинилхлорид и другие термопластичные полимеры.

Об улучшении основных характеристик топлив, достигаемом в результате совершенствования применяемого связующего, можно судить по литературным данным о разработке СТРТ за рубежом (табл. 3). Следует отметить, что уровень зарубежных достижений в области исследований и производства СТРТ в некоторой степени отражает основные направления их развития в нашей стране. Поэтому по данным этой таблицы можно представить приближенную картину общей тенденции развития связующих и СТРТ на их основе. Ниже кратко рассмотрены основные типы связующих СТРТ.

Виды связующих, применяемые в США, и некоторые характеристики СТРТ на их основе представлены в табл. 3.

Таблица 3

Виды связующих, применяемые в США, и некоторые ______характеристики СТРТ на их основе

Смесевые твердые ракетные топлива представляют собой твердую гетерогенную взрывчатую систему в виде монолитных блоков различной формы и размеров.

Основными компонентами смесевых твердых ракетных топлив являются:

• - минеральные окислители (перхлораты аммония и калия, нитрат аммония и др.);
• - взрывчатые вещества (гексоген, октоген, Диаз-3, Диаз-4, CL-20 и др);
• - металлические порошки (АСД, ПАМ и другие);
• - органические горючие-связующие вещества.

Кроме того, в них содержатся и другие вещества, выполняющие роль инициаторов полимеризации и отвердителей массы, катализаторов и стабилизаторов горения, различные технологические и энергетические добавки, пластификаторы и др.

Окислители - это вещества, содержащие большой процент активного кислорода. При горении СТРТ они выделяют атомарный кислород, который, вступая во взаимодействие с первичными продуктами распада горючих веществ, обеспечивает окисление продуктов распада с выделением тепла и газов. В качестве окислителей чаще всего применяются перхлораты и нитраты аммония (NH4CIO4, NH4NO3) и др.

Горючие-связующие вещества обеспечивают прочную связь всех компонентов блока СТРТ, придают ему необходимые физикомеханические свойства при всех температурах эксплуатации. В качестве связующих могут применяться природные материалы (асфальты и битумы), но чаще используются инертные и энергетически обогащенные синтетические полимеры, смолы и каучуки.

Горючие вещества обычно являются источником тепла и газообразных продуктов, образующихся при их взаимодействии с кислородом окислителя.

Катализаторы, обычно окислы и соли металлов (Сг₂0з, K₂Cr₂O₇, K₂CrO₄, LiF и так далее), повышают скорость горения СТРТ и позволяют регулировать ее в требуемом диапазоне давлений.

Технологические добавки вводятся для ускорения процесса полимеризации горючих-связующих веществ и отверждения топлива. К ним относятся органические и неорганические перекиси, ангидриды, полиспирты и полиамины.

Пластификаторы - вещества, вводимые в полимеры с целью придания эластичности и (или) пластичности в условиях переработки и эксплуатации. В качестве пластификаторов выступают обычно нефтяные масла, толуол и подобные им жидкие органические вещества, являясь, как правило, горючими компонентами, они вводятся в топливную массу, чтобы придать ей текучесть. В качестве активных пластификаторов используются нитроэфиры, азидные мономеры и олигомеры.

Продукты, используемые в качестве пластификатора, должны обладать следующими общими свойствами:

• 1) способностью совмещаться с полимерами, т.е. образовывать с ними устойчивые композиции при введении достаточно больших количеств пластификатора;
• 2) малой летучестью, бесцветностью, отсутствием запаха;
• 3) способностью проявлять пластифицирующее действие не только при нормальной, но и при пониженной температуре;
• 4) химической стойкостью, которая должна быть не ниже, чем у пластифицируемого полимера.

Энергетические добавки в виде металлических порошков (В, А1, Mg и других) и твердых гидридов (MgH₂, В₄Н₁₀) применяются с целью повышения удельного импульса. Кристаллические взрывчатые вещества в СТРТ служат в качестве высокоэнергетической добавки и окислителя (гексоген, октоген, CL-20, Диаз-3, Диаз-4 и др.).

Смесевые твердые ракетные топлива, применяемые в настоящее время, в качестве окислителя включают в свой состав перхлорат аммония (ПХА) и нитрат аммонии (НА), а в качестве горючих-связующих -различные каучуки и смолы. Кроме того, в ряде случаев вводятся добавки металлов, ВВ, катализаторы или ингибиторы горения.

Топливные рецептуры разрабатываются исходя из энергетических и технологических возможностей изготовления. В таблице приводятся значения удельного импульса для возможных рецептур СТРТ при стехиометрическом составе без учета возможностей изготовления и эксплуатации.

Практические рецептуры СТРТ отличаются от стехиометрических составов, при которых можно получить максимальное выделение энергии. Это связано с тем, что горючие-связующие компоненты по ряду технологических причин приходится вводить в большем количестве, чем это нужно для полного сгорания. В табл. 4 приводится зависимость теплопроизводительности и удельного импульса от содержания в топливе перхлората аммония и смол.

Таблица 4

Расчетный удельный импульс топливных смесей при Р/Р_О=68 по дапнымБлекмапа*

^Примечание

Расчет удельного импульса произведен без учета диссоциации продуктов сгорании, поскольку для предварительной оценки энергетических свойств топлива этого достаточно.

Закономерности изменения свойств смесевых твердых ракетных топлив на основе перхлората аммония и смол в зависимости от содержания окислителя представлены в табл. 5.

В табл. 6 показаны основные характеристики различных видов СТРТ в зависимости от их состава.

Таблица 5

Характеристика СТРТ на основе перхлората аммония и смол в зависимости от содержания окислителя

Таблица 6

* Примечание. Прессованный состав.

Характеристика некоторых литых составов СТРТ