СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАРЯДА ИЗ ВЫСОКОНАПОЛНЕННОГО БАЛЛИСТИТНОГО ТВЕРДОГО РАКЕТНОГО ТОПЛИВА
METHOD FOR CHARGE MANUFACTURING FROM HIGH-FILLED SOLID BALLISTITE ROCKET FUEL

Изобретение относится к области ракетной техники и может быть использовано при отработке и изготовлении заряда из баллиститного твердого ракетного топлива (БТРТ) к ракетным двигателям твердого топлива (РДТТ) и другим вспомогательным устройствам ракетных систем (газогенераторам бортовых источников питания ракет, аккумуляторам наддува топливных баков жидкостных ракет, катапультным устройствам и др.).
Известны способы изготовления зарядов (пат. RU 2220934, RU 2259985, RU 2259341, RU 2259983, RU 2295050, RU 2300513, RU 2349566, RU 2360894) из рецептур БТРТ, предусматривающих содержание пластификатора, как правило, нитроглицерина (НГ), и нитроцеллюлозы (НЦ) в соотношении НГ/НЦ=0,65…0,75, что обеспечивает удовлетворительные технологические свойства рецептур БТРТ. Однако в современных рецептурах БТРТ, помимо НЦ и НГ, в зависимости от назначения ракетных систем, в значительном количестве содержатся наполнители различного функционального назначения: стабилизаторы и катализаторы скорости горения, добавки, снижающие уровень факелообразования и дымообразования истекающей струи продуктов сгорания, взрывчатые вещества (октоген и др.) и др., при этом соотношении НГ/НЦ возрастает вплоть до 1,0.
У таких наполненных рецептур (со степенью наполнения более 15…40% (мас.%) существенно ухудшаются реологические характеристики топливной массы - коэффициенты внешнего (F) и внутреннего (τ) трения.
При степени наполненности БТРТ более 15…40% (мас.%) и увеличении весового соотношения НГ/НЦ до 1,0 возникает ряд трудностей при переработке таких систем на фазе прессования, что вынуждает иногда приостанавливать технологический процесс и даже отказываться от дальнейшей переработки топливной смеси и использовать ее, в лучшем случае, в качестве возвратно-технологических отходов при изготовлении очередных партий зарядов из этой же марки топлива. Такому способу переработки топлива сопутствуют высокие экономические издержки.
Одной из основных причин неудовлетворительной технологичности высоконаполненных составов БТРТ является замедленная кинетика пластификации нитратов целлюлозы нитроэфирами из-за уменьшения (ухудшения) их прямого контакта, обусловленного высоким содержанием наполнителей. Поэтому требуется дополнительная операция (фаза) по обеспечению качественного процесса пластификации нитратов целлюлозы. Наиболее эффективным и экономически приемлемым технологическим приемом в этом случае является «выдержка-отдых» в течение определенного времени отвальцованной топливной таблетки.
Прототипом патентуемого технического решения принято изобретение по пат. RU 2349566 С1 от 20.03.2009, заявка 2007128659 от 25.07.2007, МПК С06В 25/18, С06В 21/00, С06Д 5/06.
Технической задачей изобретения является разработка способа изготовления заряда из высоконаполненного БТРТ, обеспечивающего удовлетворительную технологичность и улучшенные внутрибаллистические (ВБХ) и физико-механические характеристики (ФМХ) перерабатываемого топлива.
Технический результат изобретения заключается в способе изготовления заряда из высоконаполненного баллиститного твердого ракетного топлива с содержанием наполнителей 15…40% (мас.%) и соотношением нитроглицерин/нитроцеллюлоза 0,6…1,0, включающем смешение компонентов топлива в нейтральной (водной) среде, отжим топливной массы, вальцевание-таблетирование топлива, сушку топливной таблетки и прессование зарядов шнековым методом через раструб и формообразующий пресс-инструмент. При этом для обеспечения удовлетворительной технологичности отвальцованную таблетку выдерживают в течение 36…72 ч при температуре 15…35°С, то есть технологический процесс ведут с разрывом фаз (фаз вальцевания и формования-прессования) для предоставления промежутка времени "выдержки-отдыха" (вылеживания) отвальцованной таблетки для осуществления процессов релаксации накопленных при отжиме и вальцевании напряжений и равномерного распределения пластификаторов в теле таблетки. По истечении указанного времени топливную таблетку направляют на фазу прессования.
Изобретение поясняется технологической схемой (см. чертеж).
Сущность изобретения заключается в осуществлении в процессе изготовления заряда БТРТ фазы «выдержки-отдыха» отвальцованной таблетки в течение 36…72 ч. За указанный промежуток времени в таблетке происходит релаксация накопленных напряжений и естественное, близкое к равномерному перераспределение пластификаторов в объеме топливной таблетки. При прессовании зарядов из такой таблетки процесс осуществляется при допустимых технологических параметрах: давлении прессования и регламентированных температурных режимах.
В таблице приведены технологические характеристики и получаемые ВБХ и ФМХ топливных смесей баллиститного типа в зависимости от времени "выдержки-отдыха" топливной таблетки в соответствии с патентуемым изобретением.
№ примера
НГ/НЦ
Мас. доля наполнителя, %
F, кгс/см<sup>2</sup>
τ, кгс/см<sup>2</sup>
Время "отдыха", ч
α<sub>t</sub>, 1/°C(T=±50°C)
ν, (Р=40-180 кгс/см<sup>2</sup>)
σ, кгс/см<sup>2</sup> (T=20°C)
0
0,60
-
0,7
14,0
-
0,14·10<sup>-2</sup>
5:0,3
62
1
0,65
18
2,2
25,0
-
0,16·10<sup>-2</sup>
0,4
52
2
0,65
18
2,0
18,0
12
0,16·10<sup>-2</sup>
0,4
53
3
0,70
18
1,5
16,0
24
0,16·10<sup>-2</sup>
0,35
60
4
0,75
18
1,1
13,0
36
0,14·10<sup>-2</sup>
0,29
58
5
0,70
15
0,9
12,5
48
0,14·10<sup>-2</sup>
0,30
65
6
0,70
40
0,8
15,1
72
0,13·10<sup>-2</sup>
0,32
68
7
0,70
30
0,8
15,0
96
0,13·10<sup>-2</sup>
0,30
69
8
1,0
30
1,0
15,6
72
0,12·10<sup>-2</sup>
0,27
65
Примечание: принятые обозначения
НГ/НЦ - весовое соотношение компонентов НГ и НЦ;
F - коэффициент внешнего трения;
τ - коэффициент внутреннего трения;
α<sub>T</sub> - температурный градиент скорости горения топлива;
ν - показатель в степенном законе скорости горения топлива при 20°С;
σ - предел прочности топлива при растяжении.
Образец "0" рассматривается в качестве эталона, который имеет удовлетворительные технологические характеристики и изготавливается по способу - прототипу.
T
Анализ результатов, приведенных в таблице, позволяет сделать вывод об эффективности разрыва фаз вальцевания и прессования при переработке высоконаполненных БТРТ с введением операции (фазы) "выдержки-отдыха" топливной таблетки при T=15…35°С в течение 36…72 ч, так как указанный способ переработки обеспечивает не только улучшение реологических характеристик топливной смеси, но и способствует повышению физико-механических характеристик и характеристик горения топлива - снижению температурного градиента скорости горения  (α) и показателя «ν» в степенном законе скорости горения отпрессованного топлива.
При этом температурный диапазон «выдержки-отдыха» таблетки выбран с учетом:
- по нижнему пределу - не менее 15°С, учитывая температуру кристаллизации нитроглицерина (13°С);
- по верхнему пределу - не более 35°С, с точки зрения предотвращения нежелательных начальных стадий терморазложения входящих в рецептуру БТРТ компонентов.
Экспериментальные исследования показывают, что введение фазы "выдержки-отдыха" отвальцованной таблетки в пределах 12-24 часов (примеры 2, 3 таблицы) не обеспечивает заметного повышения технологических характеристик топлива, а увеличение диапазона времени "выдержки-отдыха" от 36 до 72 часов (обр.4, 5, 6) улучшает не только технологические свойства топлива, но и его выходные характеристики (ВБХ, ФМХ), особенно по сравнению с обр. №1, который перерабатывался без использования фазы "выдержки-отдыха". Увеличение времени "выдержки-отдыха" свыше 72 часов нецелесообразно (пример 7), так как все процессы, сопутствующие обеспечению однородности топливной таблетки, подчиняются аррениевскому закону (протекают по экспоненциальным зависимостям) и завершаются на 90…95% в течение 36…72 ч (примеры 4-6, 8).
Введение в технологический процесс изготовления заряда фазы "выдержки-отдыха" обеспечивает требуемую технологичность прессования и снятие остаточных напряжений в топливной таблетке, что существенно уменьшает уровень и разброс присадки отпрессованных зарядов, способствует уменьшению разбросов ВБХ зарядов и повышению эффективности ракетных систем в целом (за счет стабилизации геометрических размеров зарядов).
Положительный эффект изобретения заключается в повышении эффективности зарядов БТРТ для РДТТ и снижении экономических издержек при их изготовлении.