Инженерное формирование оптимальных энергомассовых характеристик СТРТ

УДК 662.2.03:662.1

В. А. Горбачев, Е. Ю. Убей-Волк

ИНЖЕНЕРНОЕ ФОРМИРОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ЭНЕРГОМАССОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРТ

Ключевые слова: детонационный наноалмаз, смесевые твердые ракетные топлива, компоненты, топливные композиции, плотность, удельный импульс, характеристики, энергомассовые, баллистические.

В статье исследована возможность применения детонационного наноалмаза (ДНА) в качестве перспективного компонента смесевых твердых ракетных топлив (СТРТ) и аддитивный подход к оптимизации топливных составов на основе бинарных топливных композиций. Введение в состав топливной композиции ДНА, позволяет создать безметальное СТРТ обладающее повышенными энергомассовыми характеристиками. Применение аддитивного подхода для расчетов при создании новых перспективных рецептур СТРТ позволяет существенно снизить трудоемкость работ по оптимизации топливных композиций и упростить процесс термодинамического проектирования.

Keywords: detonation nanodiamond, composite solid rocket fuel, components, fuel compositions, consistence, specific impulse, characteristics, performance and mass, ballistic.

This article investigates the possibility of applying detonation nanodiamonds (DND) as a promising component of composite solid rocket propellants (CSRP) and the additive approach to the optimization of the fuel compositions on the basis of binary fuel compositions. Coming operational to the fuel composition of the DND, allows to create metalfree CSRRP having risen performance and mass characteristics. The using of the additive approach for calculations to create new promising formulations CSRRP and significantly allows to reduce the complexity of the works in optimization offuel compositions and to simplify the process of thermodynamic engineering.

Введение

Перспективное развитие твёрдых ракетных топлив требует повышения энергетических характеристик. Это достигается введением в состав композиций высокоэнергетических компонентов (окислителей, полимерных горючесвязующих, пластификаторов, наполнителей). Особое место в этом процессе занимают вопросы поиска и использования энергоемких и высокоплотных компонентов, оказывающих положительное влияние на энергомассовые характеристики смесевых твердых ракетных топлив (СТРТ).

Опыт разработки и эксплуатационной отработки твердотопливных зарядов для двигателей различного назначения, накопленный как в стране, так и за рубежом, свидетельствует о том, что энергетические возможности освоенных в настоящий момент в промышленности компонентов смесевого твердого ракетного топлива (СТРТ) практически исчерпаны.

Одним из важнейших направлений дальнейшего повышения энергетических и баллистических свойств перспективных РТ является применение в современных составах нанодисперсных компонентов, что предполагает создание высокоэнергетических составов с улучшенными характеристиками. Однако большинство из них, повышая температуру горения топлив и меняя состав продуктов горения, снижают массу газообразного рабочего тела, образуя не эффективную к-фазу. Исключение может составить наноуглеродный порошок, обладающий дополнительными перспективами создания на его основе экономичных и высокоэнергетических материалов и компонентной базы СТРТ для двигательных установок. Наиболее приемлемыми кандидатами для этой цели являются наноалмазы, полученные методом детонационного синтеза [1] Ранее было показано эффективное использование детонационных алмазов в качестве энергетического топливного

компонента [2,3]. Введение детонационного нано-ноалмаза в состав смесевых топлив влияет на технологические параметры и увеличивает скорость горения композиции. Эффективность действия зависит от концентрации нанокомпонетов, состава топлив, агрегатного состояния, температуры и давления, при которых происходит горение. Однако, механизмы проявления действия наноалмазных компонентов в процессе горения ракетного топлива изучены недостаточно. В связи с этим, исследования эффективности использования детонационных наноалма-зов в качестве высокоплотных и энергоемких компонентов, смесевого твердого топлива, участвующего в процессе газообразования и повышения температуры горения, является определяющим в разработке и изучении свойств перспективных компонентов СТРТ.

Таблица 1 - Принципиальный состав и основные характеристики СТРТ

Компоненты и характеристики Безметальные Металл содержащие

Содержание, %: перхлората аммония 75...85 10.30

АДНА до 50 -

октогена до 85 30.50

ГСВ активного 25.30 15.20

алюминия - 20.22

Js,(Рк/Ра=4,0/0,1МП а), кгс*с кг 200,0.220,0 250,0.255,0

р, кг/м3 1550.1660 1850.1950

Тк, К 2500.3000 3600.3900

Смесевое твердое топливо представляет собой многокомпонентную гетерогенную смесь окислителя, горюче-связующего и различных добавок.

Основными окислителями являются ПХА, АДНА и октоген. Вид окислителя и его количество определяют уровень энергомассовых и баллистических характеристик, температуру и состав продуктов сгорания.

Отрабатываемые малометаллизированные составы создаются на основе энергоемких компонентов (АДНА, алюминия и гидрида алюминия), освоенных отечественной промышленностью.

Результаты и обсуждение

В настоящее время повысить энергомассовые характеристики СТРТ можно за счет введения новых энергоемких и высокоплотных компонентов отечественного производства, одним из которых является детонационный наноалмаз (ДНА). Введение в состав топливной композиции ДНА, позволяет создать безметальное СТРТ, что дает возможность отказаться от использования в топливе алюминия или его гидрида, что в свою очередь связано со снижением потерь удельного импульса на двухфаз-ность истечения.

Скорость истечения продуктов горения (ПГ), например для Тк = 3500 К: Н2=8970 м/с, р = 71 кг/м3;

Н20=3800 м/с, р = 1000 кг/м3;

N=2267 м/с, р = 1503 кг/м3;

СО=2267 м/с, р = 1745 кг/м3;

С02=2053 м/с, р = 1535 кг/м3;

НС1=2080 м/с, р = 1639 кг/м3;

А1203=0 м/с, р = 3990 кг/м3;

Исходя из Р = ^^ р, P=W*р=Wv.

tg

В подтверждение этого вывода дополнительно свидетельствует устойчивость Н2, N и СО к диссоциации. Таким образом, критерием эффективности топлива следует считать Wv(Jv), а в составе ПГ иметь подавляющее преимущество концентраций Н2, N и СО.

Для более рационального и высокоэффективного использования компонентов и оценки достижимых уровней энергомассовых характеристик перспективных СТРТ, были выбраны наиболее энергоемкие и высокоплотные компоненты, из доступных и используемых в настоящее время, составлены бинарные топливные композиции и проведена их оптимизация по плотности и скорости истечения продуктов сгорания (удельному импульсу) [4]. С учетом неоднозначного влияния металлического горючего на энергомассовые характеристики СТРТ, в качестве альтернативного компонента рассмотрим детонационный наноалмаз, имеющий положительную энтальпию образования и высокую плотность равную р = 3,3 г/см3. Введение в состав топливной композиции ДНА, позволяет создать безметальное СТРТ, что дает возможность отказаться от использования в топливе алюминия или его гидрида, что в свою очередь связано со снижением потерь удельного импульса на двухфазность истечения.

Полученные результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты оптимизации бинарных топливных композиций

Топливная композиция Соотношение % р, г 3 см Js, кгс*с кг кгс*с дм3

ПХА ДНА 88 12 2,05 229,6 470,8

ПХА октоген 10 90 1,91 254,5 484,8

ПХА АГСВ 37 63 1,65 242,1 400,4

Биснитрофураза-ниловый эфир ДНА 97 3 1,93 251,7 485,7

АДНА ДНА 91 9 1,90 244,9 465,2

Метилтринитро -этилнитрамин ДНА 98 2 1,82 257,1 466,9

Биснитрофураза-нил ДНА 99 1 1,86 258,0 479,4

Биснитрофураза-ниловый эфир Октоген 39 61 1,90 256,3 487,7

Предельно достижимый уровень удельного импульса безметальных СТРТ в настоящий момент Js = 200,0-220,0 кгс с/кг, а для содержащих металлическое горючее около Js = 250,0-260,0 кгс с/кг, без учета потерь на двухфазность истечения [5,6].

Исходя из принципиального состава СТРТ и ограничений накладываемых технологическими, энергетическими (энергомассовыми) и

эксплуатационными требованиями, и используя банк данных некоторые представители которых приведены в табл. 2, а так же аддитивный подход,

Т к т/ , согласно которому = ^—'-Js/,

/=1

где Js - термодинамический удельный импульс

топлива; Jsi - термодинамический удельный

импульс бинарных смесей; к - количество бинарных смесей; т1 - масса бинарной смеси; М - масса топлива.

можно составить перспективные топливные композиции с максимальными энергомассовыми характеристиками [7].

Так, например, для топливной композиции с ПХА, АГСВ и ДНА:

- бинарная топливная композиция АГСВ :ПХА имеет оптимальное соотношение компонентов 63:37%, с соответствующими энергомассовыми характеристиками:

Тк = 3119 К; р = 1,65 г/см3;

Js = 242,1 кгс с/кг; Jv = 400,4 кгс с/дм3;

- бинарная топливная композиция детонационный наноалмаз (ДНА):ПХА имеет оптимальное соотношение компонентов 12:88%, с соответствующими энергомассовыми характеристиками:

Тк = 3008 К; р = 2,05 г/см3;

Js = 229,6 кгс с/кг; Jv = 470,8 кгс с/дм3;

Исходя из технологических особенностей применения АГСВ, вводим в состав топливной композиции - 18% связующего. Для окисления 18% АГСВ согласно данным таблицы 2, потребуется 11% ПХА. Оставшиеся 71% топливной композиции заполним ПХА и ДНА, в соответствии с оптимальным соотношением, дающим максимально возможные энергомассовые характеристики - 8,5% ДНА : 62,5% ПХА.

Таким образом, топливная композиция №1: Состав: АГСВ - 18%, ПХА - 73,5% , ДНА - 8,5% имеет:

Тк = 3111 К; р = 1,92 г/см3;

Js = 233,2 кгс с/кг; Jv = 447,7 кгс-с/дм3.

Для топливной композиции, имеющей в своем составе октоген, также исходим из технологических особенностей введения данного компонента и полученных оптимальных соотношений бинарных топливных композиций (табл.1). Соответственно получаем топливную композицию №2: №2, состав (АГСВ - 18%, ПХА - 47,5% октоген -30%, ДНА - 4,5%) имеет: Тк = 3179 К; р = 1,87 г/см3;

Js = 241,6 кгс с/кг; Jv = 451,7 кгс-с/дм3.

Таким же образом можем составить топливные композиции №3 и 4, на основе АГСВ имеющие в своем составе такие компоненты СТРТ как АДНА и октоген, а также

№3, состав (АГСВ - 18%, АДНА - 76,4%, ДНА -5,6%) имеет:

Тк = 3121 К; р = 1,81 г/см3;

Js = 246,2 кгс с/кг; Jv = 445,6 кгс-с/дм3.

№4, состав (АГСВ - 18%, АДНА - 57,5% , октоген -

21,5%, ДНА - 3%) имеет

Тк = 3190 К; р = 1,80 г/см3;

Js = 251,1 кгс с/кг; Jv = 451,9 кгс-с/дм3.

Выводы

Проведенное моделирование составов СТРТ и анализ полученных результатов показали, что используя аддитивный подход и оптимизацию бинар-

ных топливных композиций, а так же новые перспективные компоненты, можно добиться энергомассовых характеристик безметальных составов не уступающих металлсодержащим. Одним из таких перспективных компонентов являются детонационные наноалмазы, обладающие широким спектром свойств, удолетворяющие требованиям к компонентам твердых ракетных топлив и обладающих высокой стойкостью и инертностью по отношению к агрессивным химическим проявлениям окислителей,

Полученные результаты исследований подтверждают возможность выбора перспективных смесе-вых составов использующих ДНА в качестве эффективного компонента СТРТ и представляют практический интерес для проектирования и изготовления перспективных твердых ракетных топлив содержащих наночастицы.

Литература

1. Даниленко В.В. Синтез и спекание алмаза взрывом. -М.: Энергоатомиздат, 2003. - 271 с.

2. Gorbachev V., Shevchenko N. Influence of nanodiamond on combustion of anozite // XII Internatonal simpozium of explosive production of new matirials. Cracow-2014, p. 191-192.

3. Шевченко Н.В., Горбачев В.А., Убей-Волк Е.Ю., Даниленко В.В., Бланк В.Д., Голубев А.А., Дерибас А.А. Влияние детонационных наноалмазов на процессы горения энергоемких составов ракетных топлив // Конструкции из композиционных материалов. 2014. № 3. С. 33-39.

4. Жуков Б.П. Краткий энциклопедический словарь. Энергетические конденсированные системы. М.,Янус-К, 2000.

5. Павловец Г.Я., Цуцуран В.И. Физико-химические свойства порохов и ракетных топлив. Учебное пособие. М.: Министерство обороны РФ, 2009.

6. Цуцуран В.И., Петрухин Н.В., Гусев С.А. Военно-технический анализ состояния и перспективы развития ракетных топлив, М., МО РФ, 1999.

7. Горбачев В.А., Убей-Волк Е.Ю., Агульчанский К.А. Возможные пути повышения энергомассовых характеристик СТРТ. Известия РАРАН, Выпуск 2, 2014.

© В. А. Горбачев, доктор технических наук, профессор, действительный член РАРАН, генеральный директор ЗАО «Петровский НЦ «ФУГАС», e-mail: pncfugas@bk.ru; Е. Ю. Убей-Волк, кандидат технических наук, ведущий специалист по НИОКР, ЗАО «Петровский НЦ «ФУГАС», e-mail: pncfugas@bk.ru.

© V. A. Gorbachev, doctor of technical Sciences, professor member of RARAN, CEO of the CJSC "Petrovskiy Scientific Center "FUGAS", e-mail: pncfugas@bk.ru; E. U. Ubey-Volk, candidate of technical Sciences, leading researcher of the CJSC "Petrovskiy Scientific Center "FUGAS", e-mail: pncfugas@bk.ru.