СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ СМЕСЕВОГО ТВЕРДОГО ТОПЛИВА
METHOD FOR COMPOSITE SOLID PROPELLANT MANUFACTURING

Изобретение относится к области изготовления изделий из смесевого твердого топлива (СТТ), а именно к способу формования изделия СТТ методом литья под давлением.
Известны способы изготовления изделий СТТ по патенту США 3807272, по патенту ФРГ №2303065, способ дистанционной заливки высокоэнергетической топливной массы в корпус двигателя по патенту США №3562364, принятые за аналоги. Применение этих способов предусматривает приготовление топливной смеси в вертикальном смесителе планетарного типа со съемным корпусом, отсоединение съемного корпуса от перемешивающих устройств, помещение подвижного вытеснительного диска на зеркало топливной смеси, формование изделия в вертикально расположенную пресс-форму на установке дистанционного заполнения путем подачи топливной смеси литьем сверху при вакуумировании пресс-формы.
Применение указанных способов изготовления изделия требует вакуумирование пресс-формы, создание в ней дополнительных объемов для обеспечения возможности выхода в них в процессе формования и удаляемых впоследствии с остатками воздуха неоднородных частей топливной смеси. Применение указанных способов свободного литья для качественного формования из высоковязкой топливной смеси, обладающей пределом текучести, не представляется возможным.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату к заявляемому способу является способ изготовления зарядов из смесевого твердого топлива по патенту РФ №2167135, МПК С06В 21/00, заявлено 04.08.1999 г., опубл. 20.05.2001 г., принятый авторами за прототип. Указанный способ включает приготовление топливной смеси в вертикальном смесителе со съемным корпусом, формование заряда в вертикально расположенную пресс-форму под давлением с регулируемой производительностью путем подачи топливной смеси снизу пресс-формы без вакуумирования и полимеризацию заряда под давлением, причем соотношение производительности при формовании входной и основной частей пресс-формы составляет 1:10÷15.
Изготовление изделия по указанному способу значительно повышает его качество, не требует наличия в пресс-форме в дальнейшем удаляемых прибыльных объемов и обеспечивает получение бездефектных изделий без вакуумирования пресс-формы.
К недостаткам известного способа изготовления заряда СТТ, принятого за прототип, относится то, что он не обеспечивает качества по монолитности (отсутствию воздушных включений) при формовании изделия из высоконаполненных составов, обладающих пределом текучести топливной смеси. Это связано с тем, что для высоконаполненных составов, обладающих пределом текучести, характерно образование прочностных структур на поверхности течения топливной смеси. При низких скоростях подачи топливной смеси в пресс-форму эти структуры разрушаются с образованием трещин, что приводит к образованию дефектов (воздушных включений) в изделии.
Технической задачей настоящего изобретения является создание способа изготовления изделия смесевого твердого топлива, обеспечивающего высокое его качество по монолитности (отсутствию воздушных включений, трещин) при изготовлении изделия из высоконаполненных составов СТТ, обладающих пределом текучести.
2
2
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе изготовления изделия смесевого твердого топлива, включающем приготовление топливной смеси, формование изделия в вертикально расположенную пресс-форму под давлением с регулируемой производительностью путем подачи топливной смеси снизу пресс-формы без вакуумирования и полимеризацию изделия под давлением, особенность предлагаемого способа заключается в том, что формование изделия при величине предела текучести топливной смеси 1-5 г/см ведут с линейной скоростью подачи топливной смеси в пресс-форму 1,2÷1,8 см/мин, а при величине предела текучести более 5 г/см с линейной скоростью 1,9÷4,1 см/мин.
При формовании изделия с малой производительностью в кольцевом зазоре заполняемой пресс-формы реализуется низкая скорость сдвига. В соответствии с уравнением вязкого течения
эф
где τ - напряжение сдвига, γ - скорость сдвига. При этом эффективная вязкость η топливной смеси в кольцевом зазоре пресс-формы резко возрастает. При работе с высоконаполненными СТТ, обладающими пределом текучести вследствие их склонности к образованию прочностных структур, это приводит к возникновению трещин на поверхности течения и образованию дефектов в изделии.
2
2
Критическая величина скорости подачи топливной смеси в пресс-форму, при которой начинается процесс трещинообразования, зависит от величины предела текучести топливной смеси. При величине предела текучести 1-5 г/см для исключения образования трещин и дефектов в изделии линейная скорость подачи топливной смеси в пресс-форму должна быть в пределах 1,2÷1,8 см/мин. Линейная скорость подачи топливной смеси менее 1,2 см/мин при величине предела текучести 1-5 г/см не достаточна для создания условий устойчивого течения топливной смеси в кольцевом зазоре пресс-формы. В результате на свободной поверхности течения топливной смеси создаются условия для образования трещин и дефектов в изделии. Линейная скорость подачи топливной смеси более 1,8 см/мин приводит к капсуляции воздуха в топливной смеси из-за того, что в передних зонах пресс-формы топливная смесь не успевает заполнить сложные участки и в результате образуются дефекты в изделии.
2
2
При величине предела текучести топливной смеси более 5 г/см для исключения образования дефектов в изделии линейная скорость подачи топливной смеси в пресс-форму должна быть в пределах 1,9÷4,1 см/мин. Линейная скорость подачи топливной смеси менее 1,9 см/мин при величине предела текучести более 5 г/см не достаточна для создания условий растекания топливной смеси в кольцевом зазоре пресс-формы. В результате образуются трещины на поверхности слоя течения топливной смеси и образуются дефекты в изделии в виде воздушных включений.
2
Линейная скорость подачи топливной смеси в пресс-форму более 4,1 см/мин при величине предела текучести более 5 г/см приводит к капсуляции воздуха в топливной смеси в переходных зонах пресс-формы и образуются воздушные включения в изделии, что является недопустимым.
2
2
2
2
3
3
2
3
3
Примеры конкретного исполнения предлагаемого способа приведены в таблице применительно к процессу изготовления изделия смесевого твердого топлива из высоконаполненной топливной смеси, обладающей пределом текучести 2,0; 3,5; 5,5 и 8,0 г/см. Изготавливаемое изделие имеет шестищелевой канал конической формы. Площадь кольцевого сечения формуемого изделия со стороны большого диаметра канала 786 см, а со стороны малого диаметра канала 842 см соответственно. Опыты показали, что при скорости подачи в пресс-форму топливной смеси, обладающей пределом текучести 2,0; 3,5 г/см, равной 943,2÷1414,8 см/мин для участка изделия с наибольшим диаметром канала и равной 1010,4÷1515,6 см/мин для участка изделия с наименьшим диаметром канала, что соответствует линейной скорости подачи топливной смеси в пресс-форму 1,2÷1,8 см/мин, исключается трещинообразование на поверхности течения, капсуляция воздуха в переходных зонах пресс-формы и обеспечивается качество изделия по монолитности (отсутствие воздушных включений) (варианты №1,2, 5, 6). В случае изготовления изделия из топливной смеси с пределом текучести 5,5; 8,0 г/см качество изделия по монолитности обеспечивается при объемной скорости подачи топливной смеси в пресс-форму 1493,4÷3222,6 см/мин для участка изделия с наименьшим диаметром канала и при объемной скорости подачи топливной смеси 1599,8÷3452,2 см/мин для участка изделия с наибольшим диаметром канала, что соответствует линейной скорости подачи топливной смеси в пресс-форму 1,9÷4,1 см/мин (варианты №10, 11, 14, 15).
В случае снижения линейной скорости подачи топливной смеси в пресс-форму ниже предложенных в способе пределов происходит нарушение качества изделия по монолитности из-за образования трещин на поверхности течения топливной смеси в пресс-форме (варианты №3, 7, 9, 13). В случае повышения линейной скорости подачи топливной смеси в пресс-форму выше предложенных в способе пределов также происходит нарушение качества изделия по монолитности из-за капсуляции воздуха в переходных зонах пресс-формы (варианты №4, 8, 12, 16)
Таблица
Примеры конкретного исполнения способа
№ варианта
Предел текучести топливной смеси, г/см<sup>2</sup>
Линейная скорость подачи топливной смеси в пресс-форму, см/мин
Объемная скорость подачи топливной смеси в пресс-форму, см<sup>3</sup>/мин
Результат
со стороны большого диаметра канала
со стороны малого диаметра канала
1
2
3
4
5
6
1
2,0
1,2
943,2
1010,4
<img file="00000002.tif" he="12" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />Обеспечивается качество изделия по монолитности
2
1,8
1414,8
1515,6
3
1,1
864,6
926,2
<img file="00000003.tif" he="12" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />Нарушается монолитность изделия
4
1,9
1493,4
1599,8
5
3,5
1,2
943,2
1010,4
<img file="00000004.tif" he="12" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />Обеспечивается качество изделия по монолитности
6
1,8
1414,8
1515,6
7
1,1
864,6
926,2
<img file="00000005.tif" he="12" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />Нарушается монолитность изделия
8
1,9
1493,4
1599,8
9
5,5
1,8
1414,8
1515,6
Нарушение монолитности изделия
10
1,9
1493,4
1599,8
<img file="00000006.tif" he="12" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />Обеспечивается качество изделия по монолитности
11
4,1
3226,6
3452,2
12
4,2
3301,2
3536,4
Нарушение монолитности изделия
13
8,0
1,8
1414,8
1515,6
Нарушение монолитности изделия
14
1,9
1493,4
1599,8
<img file="00000007.tif" he="12" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />Обеспечивается качество изделия по монолитности
15
4,1
3226,6
3452,2
16
4,2
3301,2
3536,4
Нарушение монолитности изделия
Применение описанного способа изготовления изделия смесевого твердого топлива позволяет обеспечить высокое качество изделия по монолитности формуемого из высоконаполненной топливной смеси, обладающей пределом текучести. Указанные преимущества подтверждены изготовлением по описанному способу опытной партии изделий.