Исследование термодинамических характеристик пиротехнических газогенерирующих составов для низкотемпературных газогенераторов

УДК 662.1:621.455

С. В. Калинин, А. И. Шабунин, В. И. Сарабьев, В. А. Валяев, М. В. Хрисанфов, А. С. Егорова

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ

ГАЗОГЕНЕРИРУЮЩИХ СОСТАВОВ ДЛЯ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ

Ключевые слова: термодинамическая характеристика, рецептура, пиротехнический состав, компонент, газогенератор.

В рамках данной работы представлены результаты термодинамических расчётов пиротехнических газогене-рирующих составов на основе высокоэффективных газообразователей, окислителей и газообразующих добавок. В результате проведенных исследований были определены компоненты, наиболее приемлемые для формирования рецептур ПГС. Данные рецептуры на основе рассмотренных компонентов могут быть использованы при разработке зарядов для низкотемпературных газогенераторов различного функционального назначения.

Key words: thermodynamic characteristic, recipe, pyrotechnic composition, component, gas-generator.

In this work the results of thermodynamic calculations pyrotechnic gas generating compositions based on highly-effective blowing agents, oxidizing agents, and blowing agents. The studies were identified components, the most suitable for the formation of recipes PGGC. These recipes based on a consideration of components can be used in the development of charges for low-temperature gas generators for various applications.

Введение

Рассматриваемые в настоящей работе пиротехнические газогенерирующие составы используются в низкотемпературных газогенераторах (НТГГ), которые находят широкое применение в системах вооружения и военной техники, а также в объектах гражданского назначения, например в устройствах приведения в действие исполнительных механизмов ракет, раскрутки ротора турбореактивных двигателей, наддува оболочек систем спасения и др. Особенностью пиротехнических газогенерирующих составов (ПГС) являются гораздо большие по сравнению с баллиститными и смесевыми топливами возможности использования в их рецептурах различных компонентов и вариантов их соотношений, что позволяет создавать композиции, максимально удовлетворяющие комплексу предъявляемых требований.

Методика определения термодинамических характеристик ПГС

Расчёты проводились с помощью программного комплекса «Метод и программа расчёта равновесного состава и характеристик продуктов сгорания многокомпонентных гетерогенных систем» («Termo») при рабочем давлении в газогенераторе р = 10 МПа [1]. В результате, определялись следующие термодинамические характеристики ПГС: газопроизводительность W, температура горения Тг, теплота сгорания Q, молярная масса газов ц, работоспособность RT и содержание в продуктах сгорания конденсированной фазы z.

Результаты и обсуждение

Задача представленного расчётного исследования заключается в определении оптимальных соотношений компонентов в рецептурах ПГС на основе газообразователя [нитрогуанидин (НГУ), нитрат гуанидина (НГ), триаминогуанидиннитрат (ТАГН)] и окислителя [перхлорат аммония (ПХА), перхлорат калия (ПХК)]. Для регулирования температуры и состава продуктов сгорания ПГС рассмотрены газообразующие добавки [уротропин (УРТ),

карбамид (КРБ), дифенилгуанидин (ДФГ)]. Для обеспечения высокой прочности предусмотрено использование комбини-рованного связующего (КБС), включающего феноло-формальдегидную смолу и бутадиеннитрильный каучук.

Ранее было установлено [2, 3], что оптимальным, с точки зрения получения приемлемого уровня значений термодинамических и баллистических характеристик, обеспечивающих устойчивость процесса горения зарядов и сохранность исполнительных механизмов устройств, целесообразно рассмотрение ПГС на основе ПХА или ПХК при относительно низкой температуре горения Тг, не превышающей 1650 К. Рекомендованное содержание окислителя составляет 20% по массе. Это обусловлено тем, что при содержании ПХА в меньшем количестве возникает недостаток окислительных компонентов, приводящий к значи-тельному снижению скорости горения составов. В случае увеличения количества ПХА возникают проблемы с устойчивостью процесса горения состава, что может привести к аномальной работе НТГГ.

С использованием вышеуказанного комплекса компонентов были исследованы две группы рецептур составов: ПГС на основе ПХА при Тг ~ 1600 К (вар. №1 - 9) и ПГС на основе ПХК при Тг ~ 1650 К (вар. №10 - 18). Внутри групп рецептуры варьировались в зависимости от применяемых газообразо-вателей и газообразующих добавок.

Рецептуры и термодинамические характеристики рассматриваемых вариантов ПГС представлены в таблицах 1 - 3.

Оценка эффективности рецептур ПГС основывалась на их соответствии предъявляемым техническим требованиям по обеспечению заданного уровня термодинамических характеристик, значения которых в значительной мере зависят от состава и свойств продуктов сгорания. Высокоэффективные ПГС для НТГГ должны соответствовать следующим техническим требованиям: газопроизводительность W > 1,0 м3/кг, молярная масса ц < 20,0 г/моль, теп-

лота сгорания Q < 5,1 МДж/кг, температура горения Тг < 1600 К, работоспособность RT > 650 кДж/кг.

Таблица 1 - Рецептуры ПГС на основе ПХА

Наименование компонента Номер варианта ПГС

Массовое содержание компонента, %

1 2 3 4 5 6 7 8 9

ПХА 20 20 20 20 20 20 20 20 20

НГУ 66 68 64

НГ - - - 74 74 73 - - -

ТАГН 63 65,5 60

УРТ 9 - - 1 - - 12 - -

ДФГ - 7 - - 1 - - 9,5 -

КРБ - - 11 - - 2 - - 15

КБС 5 5 5 5 5 5 5 5 5

Таблица 2 - Рецептуры ПГС на основе ПХК

Наи- Номер варианта ПГС

мено- Массовое содержание компонента, %

компонента 10 11 12 13 14 15 16 17 18

ПХА 20 20 20 20 20 20 20 20 20

НГУ 66 68 63

НГ - - - 74 74 73 - - -

ТАГН 62,5 65,5 595

УРТ 9 - - 1 - - 12,5 - -

ДФГ - 7 - - 1 - - 9,5 -

КРБ - - 12 - - 2 - - 15,5

КБС 5 5 5 5 5 5 5 5 5

Таблица 3 - Термодинамические характеристики рецептур ПГС

№ вар. ПГС Ж, м3/кг Тг, К МДж/к г М г/моль z, % кДж/кг

1 1,148 1596 5,041 19,58 0 677,8

2 1,121 1592 4,937 19,99 0 661,9

3 1,088 1616 4,600 20,60 0 652,4

4 1,073 1609 4,461 20,89 0 640,4

5 1,073 1596 4,446 20,89 0 635,1

6 1,069 1588 4,389 20,96 0 630,0

7 1,261 1618 5,382 17,78 0 756,6

8 1,234 1606 5,366 18,16 0 735,2

9 1,182 1619 4,902 18,95 0 710,3

10 1,039 1651 4,807 19,87 7,9 636,2

11 1,015 1648 4,703 20,32 8,0 620,7

12 0,985 1640 4,327 20,89 8,2 599,2

13 0,966 1665 4,227 21,39 7,8 596,7

14 0,965 1654 4,212 21,36 8,0 592,5

15 1,039 1648 4,158 21,41 0,8 635,0

16 1,247 1642 5,078 17,83 0,8 759,7

17 1,211 1654 5,079 18,36 0,8 743,6

18 1,159 1650 4,584 19,18 0,8 709,7

Коэффициенты эффективности термодинамических показателей, рассматриваемых ПГС определялись согласно выражению:

АХ -1 )Ю0 %

где Хтп - минимальное значение характеристики ПГС; Х\ - значения характеристики ПГС, превышающие ХтП.

Рассматриваемые характеристики и их значения приведены в таблице 3.

В таблице 4 приведены коэффициенты эффективности термодинамических показателей ПГС, содержащих в своих рецептурах рассматриваемые га-зообразователи.

Таблица 4 - Эффективность применения газооб-разователей в рецептурах ПГС

Газооб-разова-тель АЖ, % А, % А/ % АКГ(1-?), %

НГУ 2,9 9,7 4,7 3,2

НГ 0 0 15,1 0

ТАГН 17,4 17,4 0 18,4

При определении характеристик, отражающих выполнение требований по обеспечению высокой газопроизводительности, наилучшие показатели отмечены у ПГС, содержащих ТАГН; при этом, продукты сгорания ПГС с использованием ТАГН отличаются низкими значениями молярной массы. В части соответствия требованию по обеспечению высоких значений работоспособности ТАГН также является эффективным газообразователем. ПГС с использованием НГ и НГУ имеют более низкие показатели теплоты сгорания по сравнению с составами, содержащими ТАГН.

Анализ термодинамических коэффициентов эффективности ПГС показывает, что в целом преимущество имеют составы, содержащие ТАГН. Однако, составы на его основе обладают высокими взрывчатыми характеристиками [4]. В связи с этим, для проведения дальнейших исследований в качестве газообразователя был выбран нитрогуанидин, т.к. ПГС на его основе обладают приемлемыми значениями термодинамических характеристик, удовлетворяющих предъявляемым техническим требованиям.

В таблице 5 приведены коэффициенты эффективности термодинамических показателей ПГС, содержащих в своих рецептурах исследуемые газообразующие добавки.

Таблица 5 - Эффективность применения газообразующих добавок в рецептурах ПГС

Газооб-разую- щая добавка АЖ, % А& % А/и, % АЯЩ-?), %

УРТ 3,2 7,6 0 3,3

ДФГ 1,5 6,6 1,5 1,3

КРБ 0 0 3,9 0

Высокие значения газопроизводительности свойственны ПГС, содержащим УРТ; их продукты сгорания отличаются более низкими значениями молярной массы. В части соответствия требованию по обеспечению высоких значений работоспособности преимущество также имеет УРТ. ПГС с использованием ДФГ и КРБ имеют более низкие показатели теплоты сгорания по сравнению с составами, содержащими УРТ. Комплексный анализ полученных результатов показывает, что наилучшими значениями термодинамических показателей обладают ПГС с УРТ.

В таблице 6 приведены осреднённые значения и коэффициенты эффективности термодинамических показателей ПГС, содержащих различные окислители.

Таблица 6 - Эффективность применения окислителей в рецептурах ПГС

Окислитель AW, % AQ, % Aju,% ART(l-z), %

ПХА 6,5 5,7 0 3,5

ПХК 0 0 1,6 0

Сравнительный анализ термодинамических показателей рецептур ПГС, представленных в таблице 6, включающих окислители ПХА или ПХК, показал следующее. Использование ПХА обеспечивает получение газов с более низкой молярной массой. Газопроизводительность при использовании ПГС с ПХА имеет значения, превышающие аналогичные показатели составов с ПХК. Теплота сгорания при использовании окислителя ПХК имеет более низкие значения по сравнению с составами, содержащими ПХА. Высокие значения работоспособности характерны для ПГС с ПХА. Кроме того, в продуктах сгорания ПГС с ПХА отсутствует к-фаза. Таким образом, для выполнения требований по получению большого количества газов с низкой молярной массой и минимальным содержанием к-фазы целесообразно использовать ПГС с ПХА.

Учитывая, что получение приемлемого уровня характеристик, обеспечивающих устойчивость процесса горения ПГС с ПХА, достигается при более низких температурах горения по сравнению с ПГС

на ПХК, предпочтение при выборе окислителя также следует отдать ПХА.

В результате проведения данного исследования были определены компоненты, наиболее приемлемые для формирования рецептур ПГС. Это газооб-разователь - нитрогуанидин, окислитель - перхлорат аммония, газообразующая добавка - уротропин. Рецептуры ПГС на основе данных компонентов могут быть использованы при разработке зарядов для НТГГ различного функционального назначения.

Выводы

1. В результате проведённого расчётного исследования установлено, что наиболее полно комплексу требований к термодинамическим характеристикам продуктов сгорания удовлетворяет ПГС на основе нитрогуанидина, перхлората аммония и уротропина.

2. Предложен ПГС на основе НГУ, ПХА и УРТ, который обладает следующими термодинамическими показателями: газопроизводительность W = 1,148 м3/кг, молярная масса ц = 19,58 г/моль, теплота сгорания Q = 5,04 МДж/кг, температура горения Тг = 1596 К и работоспособность RT = 677,8 кДж/кг.

3. Данный состав рекомендован для изготовления зарядов, используемых в составе газогенераторов военного и гражданского назначения.

Литература

1. Метод и программа расчёта равновесного состава и характеристик продуктов сгорания многокомпонентных гетерогенных систем «Термо» / ФГУП «ФНПЦ «НИИ прикладной химии». - Инв. №16078. - Загорск, 1985. -103 с.

2. Термодинамическое исследование влияния рецептурных факторов на характеристики пиротехнических газо-генерирующих твердых топлив / А.И. Шабунин, В.И. Сарабьев, Б.Н. Конюхов, Д.А. Ягодников // Современные проблемы пиротехники: Материалы III Всероссийской научно-технической конференции. - Сергиев Посад, 2004. - С. 89 - 92.

3. Оптимизация рецептур пиротехнических газогенери-рующих топлив на основе нитрогуанидина / А.И. Шабунин, В.И. Сарабьев, Б.Н. Конюхов, Л.И. Чередниченко // Современные проблемы пиротехники: Материалы IV Всероссийской научно-технической конференции. -Сергиев Посад, 2007. - С. 67 - 76.

4. Цуцуран В.И., Петрухин Н.В., Гусев С.А. Военно-технический анализ состояния и перспективы развития ракетных топлив: Учеб. - М.: МО РФ, 1999. - 332 с.

© С. В. Калинин, кандидат технических наук, старший научный сотрудник отдела 11 АО "ФНПЦ "НИИ прикладной химии";

A. И. Шабунин, кандидат технических наук, заместитель начальника отдела 11 АО "ФНПЦ "НИИ прикладной химии";

B. И. Сарабьев, доктор технических наук, профессор, начальник отдела 11 АО "ФНПЦ "НИИ прикладной химии"; В. А. Ва-ляев, ведущий инженер-конструктор отдела 11 АО "ФНПЦ "НИИ прикладной химии"; М. В. Хрисанфов, научный сотрудник отдела 11 АО "ФНПЦ "НИИ прикладной химии"; А. С. Егорова, инженер-технолог отдела 11 АО "ФНПЦ "НИИ прикладной химии", e-mail: lab112.niiph@yandex.ru.

© S. V. Kalinin, candidate of engineering sciences, elder researcher Joint Stock Company «Federal scientific and production center «Scientific research institute of applied chemistry»; A. I Shabunin, candidate of engineering sciences, alternate division head Joint Stock Company «Federal scientific and production center «Scientific research institute of applied chemistry»; V. I Sarabjev, doctor of engineering sciences, professor, division head Joint Stock Company «Federal scientific and production center «Scientific research institute of applied chemistry»; V. A. Valyaev, leading engineer- design Joint Stock Company «Federal scientific and production center «Scientific research institute of applied chemistry»; M. V. Khrisanfov, researcher Joint Stock Company «Federal scientific and production center «Scientific research institute of applied chemistry»; A. S. Egorova engineer-technologist Joint Stock Company «Federal scientific and production center «Scientific research institute of applied chemistry», e-mail: labl 12.niiph@yandex.ru.