logo
ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТ

2.1. Выбор твердого ракетного топлива

Для выбора марки и типа топлива необходимо подобрать топливо из имеющейся базы данных, наиболее соответствующее исходным данным. Допускается рассмотрение нескольких различных марок для проектируемого заряда для того, чтобы выбрать топливо, которое обеспечивает наибольшую эффективность РДТТ.

Твердые ракетные топлива в соответствии с их физико-химической структурой и составом подразделяются на смесевые и баллиститные (двухосновные).

Смесевые топлива представляют собой гетерогенные высоконаполненные полимерные системы, состоящие из кристаллического окислителя, горючего — полимерного связующего и порошкообразного металла, а также добавок различного назначения. Плотность смесевых топлив находится в пределах 1700 ... 1950 кг/м3.

В качестве окислителей в смесевых топливах применяются твердые соли хлорной и азотной кислот, богатые кислородом (например, перхлорат аммония NH4ClО4 или калия KСlO4). Известна также практика использования динитрамида аммония NH4N(NO2)2 – АДНА [1]. В некоторых случаях для повышения энергетических характеристик в состав окислителя вводятся мощные взрывчатые вещества, например, октоген, гексоген, тринитроазетидин (TNAZ) и др. Окислитель составляет 60...80% от общей массы топлива. При увеличении содержания окислителя выше 85% ухудшаются физико-механические и технологические свойства топлив. Наибольшее распространение получили смесевые топлива, содержащие в качестве окислителя перхлорат аммония, имеющий сравнительно невысокую температуру разложения и малую молекулярную массу продуктов разложения. Энергетические характеристики ТРТ, содержащих перхлорат аммония, сравнительно высокие при слабой зависимости скорости горения от внутрикамерного давления и начальной температуры заряда. Уменьшение размеров частиц окислителя является одним из путей повышения скорости горения. Так, при уменьшении размера частиц (повышении дисперсности) перхлората аммония от 100 до 5 мкм скорость горения топлива возрастает более чем втрое. Следует, однако, учитывать, что переход на более мелкую фракцию перхлората аммония приводит к повы­шению вязкости топливной массы и ухудшению технологичности. На практике используют перхлорат аммония нескольких фракционных составов.

Полимерное горючее в смесевых топливах одновременно играет роль связующего и составляет 15...30% от общей массы топлива. Максимальные значения температуры продуктов сгорания и удельного импульса топлива при допустимом уровне механических характеристик и реологических параметров топливной массы реализуются для топлив с содержанием горюче-связующего, близкого к 15% по массе. Уменьшение содержания связующего приводит к увеличению плотности топлива, но одновременно ухудшает его технологические свойства и механические характеристики.

Повышение удельного импульса, плотности и стабильности горения ТРТ достигается добавлением в их состав мелкодисперсных (с размерами частиц от 1 до 20 мкм) металлических порошков (алюминия, магния, бора, их сплавов и соединений, гидрида легких металлов,) в количестве до 20% от общей массы топлива. Дальнейшее повышение содержания алюминия в топливе неэффективно из-за роста потерь удельного импульса, связанных с двухфазностью потока продуктов сгорания. Благодаря широкой сырьевой базе, низкой стоимости, нетоксичности, хорошей технологичности и способности повышать стабильность процесса горения топлива наибольшее применение получил алюминий. С целью уменьшения размеров частиц оксида алюминия в конденсированных продуктах сгорания и увеличения полноты сгорания горючего применяют покрытие частиц алюминия металлическими или органическими пленками. В некоторых случаях для улучшения воспламенения алюминия используется его сплав с магнием типа АМД.

Если задачей проекта является разработка газогенератора на ТРТ, или в конструкции РДТТ используется центральное тело, то нежелательно использовать топлива, у которых в продуктах сгорания имеется конденсированная фаза. Поэтому в этом случае выбирается смесевой состав с минимальным ее содержанием или баллиститное безметальное ТРТ.

В результате анализа имеющейся в распоряжении проектанта базы данных [2, 3] (Приложения 1, 2) выбирается несколько видов ТРТ, которые в дальнейшем будут использованы для проведения сравнительных расчетов отдельных узлов или всего РТДД в целом. При этом проектант должен иметь в распоряжении данные по составу ТРТ, теплофизические и внутрибаллистические характеристики.

  1. Состав (в процентах от общей массы топлива), например, для топлива ПХА-4М (см. Приложение 1): - перхлорат аммония – 35 %; нитразол – 45 %; алюминий – 20%.

  2. Удельная химическая формула топлива, например: ,

полная энтальпия топлива в стандартных условиях Iт = - 2034 кДж/кг.

  1. Закон изменения скорости горения, например:

,

где pк – давление, Па; u1 =6,49 – скорость горения при стандартных условиях, мм/с; В =0,0036 1/К - температурный коэффициент; Тн – начальная температура заряда, К.

4. Плотность топлива т = 1800 кг/ м3.

5. Теплофизические характеристики:

Удельная теплоемкость ср = 1084 Дж/(кгК).

Коэффициент теплопроводности т = 0,94 Вт/(мК).

Температурный коэффициент линейного расширения т = 3,4·10- 4 1/К.

6. Минимальное давление устойчивого горения pmin  0,03 МПа.

7. Эксплуатационный интервал температур 220 К  Т  320 К.

8. Максимальная температура хранения Tmax = 320 К.

9. Способ формования заряда - (свободное литье, литье под давлением и др.)