СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАРЯДА БАЛЛИСТИТНОГО РАКЕТНОГО ТОПЛИВА
METHOD OF PRODUCING BALLISTIC ROCKET FUEL CHARGE

Изобретение относится к области разработки технологий переработки баллиститных ракетных твердых топлив (БРТТ) во вкладные заряды с торцевыми бронирующими элементами.
Среди большой номенклатуры ракетных зарядов важное место занимают заряды из баллиститного ракетного твердого топлива (БРТТ) к снарядам реактивных систем залпового огня (РСЗО), к которым, кроме обычных требований, предъявляются требования высокой кучности стрельбы, длительных сроков хранения и эксплуатации, простоты технологии для обеспечения крупносерийного массового производства таких зарядов.
2
2
Одним из вариантов баллиститного ракетного твердого топлива для этих зарядов, наиболее полно выполняющего требования, является топливо, представляющее собой термопластичную смесь органических соединений, молекулы которых содержат богатые кислородом нитро (NO) или нитратные (ONO) группы, непрочно связанные с атомами углерода.
В таком топливе также содержатся пластификаторы, стабилизаторы химической стойкости и горения, катализаторы горения, технологические добавки, энергетические наполнители и другие компоненты.
Топливо термопластичное, заряды прессуют на прессах, пресс-инструмент которых нагревают до 70…95°С. Обычно такой заряд представляет собой цилиндрическую одноканальную шашку, в которой забронированы оба торца.
Изготовление зарядов из таких топлив проводится по способу, описанному в книге Смирнова Л.А. «Оборудование для производства баллистатных порохов по шнековой технологии и зарядов из них» стр.173, Москва, МГАХМ, 1997 г., взятому нами в качестве прототипа.
Одной из актуальных проблем дальнейшего развития способа изготовления ракетных зарядов к снарядам ракетных систем залпового огня является повышение кучности стрельбы, то есть уменьшение разброса при попадании в цель, увеличение срока эксплуатации, наличие широкой сырьевой базы, простота в технологии изготовления в целом. Это достигается улучшением физико-химических, физико-механических и баллистических характеристик, как топлива, так и зарядов, бронирования их по торцам с применением таких материалов и технологий, чтобы бронепокрытия одновременно являлись опорными и центрующими элементами, использованием доступного сырья и упрощением технологии бронирования. Эти задачи являются сложными и актуальными, так как часто заряды отличаются по скорости горения и баллистическим характеристикам, а сам заряд, состоящий из термопластичного топлива, при температурах +40…+50°С может при эксплуатации изменять свою геометрическую форму. Торцевое бронепокрытие должно не допускать этого.
Технической задачей изобретения является разработка усовершенствованного технологического процесса изготовления зарядов баллиститного ракетного твердого топлива с торцевыми бронирующими элементами, позволяющего повысить кучность стрельбы, увеличить сроки эксплуатации зарядов, создать крупносерийное производство.
2
Указанная техническая задача решена использованием способа изготовления заряда баллиститного ракетного твердого топлива в виде шашки с торцевыми бронирующими элементами, включающего прессование шашки из баллиститного ракетного твердого топлива, содержащего нитрат целлюлозы, пластифицированный труднолетучими нитроэфирами, стабилизаторы химической стойкости, стабилизаторы горения, катализаторы горения и технологические добавки, формование торцевых бронирующих элементов и скрепление их с шашкой из баллиститного ракетного твердого топлива на гидравлическом прессе, при этом торцевые бронирующие элементы формуют путем прессования в пресс-форме в течение от 0,5 до 2,0 минут при удельном давлении 15…30 кгс/см и температуре 15…35°С навески композиции, состоящей из полиметилметакрилата марки Л-1, централита II в качестве стабилизатора, трикрезилфосфата технического в качестве пластификатора, окиси хрома в качестве красителя, ацетона и спирта этилового в качестве растворителя при следующем соотношении компонентов, мас.%:
- полиметилметакрилата марки Л-1
66…86
- централит П
1…3
- трикрезилфосфат
4…6
- окись хрома
0,5…1,5
- ацетон
8…12
- спирт этиловый
4…8,
2
полученные торцевые бронирующие элементы скрепляют с шашкой баллиститного ракетного твердого топлива на гидравлическом прессе с пресс-формами с рубашкой обогрева водяным паром и охлаждением водой при удельном давлении от 25 до 50 кгс/см, путем термопрессового спекания в течение от 3 до 5 минут при температуре от 120 до 140°С и последующего охлаждения в течение от 3 до 8 минут с подачей в рубашку пресс-форм воды с температурой не выше 25°С, при этом на дно одной из пресс-форм помещают один из полученных торцевых бронирующих элементов и затем в эту же пресс-форму помещают одним торцом шашку из баллиститного ракетного твердого топлива, а на другой торец шашки из баллиститного ракетного твердого топлива накладывают бронирующий элемент и помещают в другую пресс-форму.
Компоненты бронесостава выпускаются промышленностью по технической документации:
1. Полиметилметакрилат Л-1 (для специального и технического назначения) ТУ-6-01-1074-91.
2. Централит II ГОСТ 2154-77.
3. Трикрезилфосфат технический ГОСТ 5728-76.
4. Окись хрома техническая ГОСТ 2912-79.
5. Ацетон технический ГОСТ 2768-84, ГОСТ 2603-75.
6. Спирт этиловый ректификованный ГОСТ Р 51652-2000.
Для исключения прилипания бронепокрытия к поверхности пресс-формы, на нее наносится гидрофобизирующая жидкость 136-41 ГОСТ 10834-76. Она является антиадгезивом.
Бронесостав используется для покрытия торцов шашек диаметром до 500 мм. Толщина покрытия от 0,5 до 10 мм. Бронесостав готовят смешением полиметилметакрилата Л-1 в среде растворителей по рецептуре:
- Полиметилметакрилат Л-1 - 76%;
- раствор - 24%.
Рецептура раствора:
1. Централит II - 8,4%
2. Трикрезилфосфат - 20,8%
3. Спирт этиловый - 25,0%
4. Ацетон - 41,6%
5. Окись хрома - 4,2%.
Приготовление раствора производится в металлической или стеклянной емкости. Рассчитанные навески ацетона, спирта, трикрезилфосфата, централита и окиси хрома взвешивают на весах. Жидкие компоненты сливают в металлическую или стеклянную емкость, тщательно перемешивают, затем засыпается навеска централита. Содержимое периодически перемешивают до полного растворения кристаллов централита.
Для ускорения растворения централита допускается подогрев раствора до 50°С на водяной бане. После растворения централита вводится навеска окиси хрома с периодическим перемешиванием всего раствора.
Готовый раствор в герметичной таре (металлических флягах) может храниться неограниченное время. Приготовление массы производится в металлической или стеклянной емкости в количестве не более 3 кг следующим образом.
В емкость заливают расчетное количество тщательно перемешанного раствора, засыпают при перемешивании навеску полиметилметакрилата и смесь продолжают перемешивать шпателем до полного смачивания полиметилметакрилата (2…3 минуты), закрывают емкость крышкой и оставляют бронесостав для набухания, готовность бронесостава определяют по его отслаиванию от стенок емкости. Жизнеспособность состава (время использования) до 40 минут.
Бронесостав наносится на торцы топливных шашек с помощью специальных пресс-форм на гидравлических прессах методом термопрессового спекания.
2
Для каждого торца топливной шашки из набухшего состава готовят навески, которые затем формуют в пресс-форме для предварительного формования при давлении 15…30 кгс/см и температуре 15…35°С в течение 0,5 до 2 минут в броненаклейки.
Отформованные наклейки в случае спекания на вертикальном гидропрессе помещают одну на дно нижней пресс-формы, другую на верхний торец топливной шашки и накрывают другой пресс-формой. При использовании горизонтального пресса каждую наклейку помещают в соответствующие пресс-формы. Допускается прямое спекание без предварительного формования торцевых бронеэлементов.
При спекании на вертикальном гидропрессе топливную шашку одним торцом помещают на броненаклейку в нижнюю пресс-форму, закрепленную на столе гидропресса, а на другой торец шашки с уложенной броненаклейкой опускают верхнюю пресс-форму, прикрепленную к пуансону гидропресса. Пресс-формы имеют рубашки, через которые пропускается пар или холодная вода. Процесс спекания и последующего охлаждения проводится по режиму, приведенному в табл.1.
Таблица 1
Режим спекания и охлаждения торцевых бронепокрытий
Наименование показателей
Значения показателей
1. Время нагревания
от 3 до 5 минут в зависимости от толщины бронепокрытия
2. Температура при нагревании
от 120 до 140°С
3. Удельное давление
от 25 до 50 кгс/см<sup>2</sup>
4. Время охлаждения
от 3 до 8 минут
После охлаждения давление пресса снимают, пуансон вместе с верхней пресс-формой поднимают и топливную шашку с торцевыми бронирующими элементами извлекают из нижней пресс-формы. В результате получают топливный заряд из БРТТ с прочно припрессованными к торцам броне-, опорно-, центрующими элементами с высокими физико-механическими показателями, выдерживающими статические и динамические нагрузки на заряд, четкой геометрической формой, позволяющей строго по центру устанавливать заряд в корпусе ракетного двигателя и тем самым добиться стабильного и надежного горения заряда по расчетным поверхностям. Использованные компоненты и технология изготовления топливного заряда с бронирующим покрытием на обоих торцах позволяют обеспечить длительные гарантийные сроки его хранения и эксплуатации. Выполнение способа иллюстрируется следующим примером.
Пример. БРТТ готовится по прессовой технологии на существующем оборудовании, исходя из содержания следующих составляющих (мас.%):
- нитроцеллюлоза
- 54,0…59,0
- нитроглицерин, диэтиленгликоль
- 24,0…39,3
- дополнительные пластификаторы
(динитротолуол, дибутилфталат и др.)
- 0…16,5
- стабилизаторы химической стойкости
(дифениламин, централит и др.)
- 0…30
- катализаторы горения (окислы, фталаты и др.)
- 0…1,0
- прочие добавки
- 0,5…11,0
Процесс изготовления зарядов БРТТ состоит из ряда стадий:
- дозирования компонентов и смешения в водной среде в мешателях. Твердые присадки вводят в смесь в виде тонкоизмельченного порошка. Перемешиванием добиваются равномерного распределения компонентов топлива во всей его массе. Нитроглицерин, нитродиэтиленгликоль и другие малорастворимые в воде вещества пропитывают нитроцеллюлозу и частично растворяют ее (процесс желатинизации), химической реакции при этом не происходит;
- смесь отжимают на центрифугах и отправляют на горячие вальцы, где под действием высокой температуры и давления происходит основной процесс желатинизации нитроцеллюлозы;
- топливо, выходящее из вальцов, разрезают на куски и прессуют в заряды на прессах, матрицы которых нагревают до 70…95°С;
- затем топливные шашки подвергают отпуску для снятия внутренних напряжений, т.е. выдерживают в нагретом состоянии некоторое время, после чего охлаждают и обтачивают на токарном станке под нужную конфигурацию и размеры. Затем топливную шашку бронируют по обоим торцам.
Для иллюстрации приводим процесс бронирования торцов заряда с размерами ⌀190/54-1428 мм. Заряд представляет собой канальную шашку с коническим и плоским торцом. Масса бронепокрытия для плоского торца 220±30 г, для конического торца - 120±30 г.
Приготовление бронесостава велось в соответствии с ранее приведенным описанием из расчета бронирования 2…5 изделий (~3 кг).
Приготовление бронесоства состояло из приготовления раствора и приготовления бронесоства. Приготовление раствора, состоящего из ацетона, спирта, трикрезилфосфата, окиси хрома и централита, производили в металлической фляге ГОСТ 5037-78.
Рассчитанные навески ацетона, спирта, трикрезилфосфата, централита взвешивались на весах ВНЦ-5 ГОСТ 13882-68. Жидкие компоненты сливали в металлическую флягу, тщательно перемешивали деревянной мешалкой-лопаткой, затем засыпали навеску централита. Содержимое периодически перемешивали до полного растворения кристаллов централита. Для ускорения растворения централита допускается подогрев раствора до 50°С на водяной бане. После растворения централита вводили навеску окиси хрома с периодическим перемешиванием. Готовый раствор хранили в металлических флягах неограниченное время. Приготовление бронесостава производили в эксикаторе следующим образом. В эксикатор заливали расчетное количество тщательно перемешанного раствора, засыпали при перемешивании навеску полиметилметакрилата и продолжали перемешивать шпателем до полного смачивания в течение 2…3 минут, закрывали крышку эксикатора и оставляли бронесостав от 8 до 35 минут для набухания. Готовность бронесостава определяли по его отслаиванию от стенок эксикатора.
Жизнеспособность бронесостава (время использования) составляло до 40 минут.
Бронесостав наносился на торцы топливных шашек с помощью пресс-форм спекания черт. 94050-00000 по технологии термопрессового формования на горизонтальном прессе черт. 91070-00000.
Процесс спекания и последующего охлаждения проводили по режиму, приведенному в табл.2.
Таблица 2
Режимы спекания и охлаждения при припрессовке торцевых бронепокрытий к заряду
Наименование показателей
Норма
1. Время нагревания, мин
4
2. Температура при нагревании, °С
130
3. Удельное давление, кгс/см<sup>2</sup>
40
4. Время охлаждения, мин
6
Режим предварительного формования торцевых бронепокрытий для заряда ⌀190/54-1428 мм следующий:
- удельное давление формования, кгс/см<sup>2</sup>
- 30
- время выдержки под давлением, мин
- 1…2
- температура прессования
- 15…35°С
Для исключения прилипания бронирующего состава внутреннюю поверхность пресс-формы покрывали антиадгезионной смазкой (воск, озокерит, парафин).
В процессе спекания заготовки торцевых бронепокрытий размягчались, принимали необходимую конфигурацию и прочно скреплялись с торцом топливной шашки.
Механические характеристики торцевого бронепокрытия приведены в табл.3.
Таблица 3
Механические характеристики торцевого бронепокрытия при температурах +50, +20, минус 50°С
+50°С
+20°С
минус 50°С
σ, кгс/см<sup>2</sup>
ε, %
Е, кгс/см<sup>2</sup>
σ, кгс/см<sup>2</sup>
ε, %
Е, кгс/см<sup>2</sup>
σ, кгс/см<sup>2</sup>
ε, %
Е, кгс/см<sup>2</sup>
50-60
160-170
500-700
250-260
3,0-3,5
8000-9000
400-450
1,5-2,0
24000-25000
Из данных табл.3 следует, что бронепокрытие имеет в диапазоне температур +50… минус 50°С высокие механические показатели.
Прочность скрепления торцевого бронепокрытия с составом баллиститного ракетного твердого топлива рецептуры, приведенной в примере, представлены в табл.4.
Таблица 4
Прочность скрепления торцевого бронепокрытия с БРТТ при температурах +50, +20, минус 50°С
Образец
Прочность скрепления σ<sub>отр.</sub>, кгс/см<sup>2</sup>
+50°С
характер разрушения образца
+20°С
характер разрушения образца
минус 50°С
характер разрушения образца
БРТТ + торцевое бронепокрытие
12-15
по бронепокрытию
50-55
по бронепокрытию
130-135
по бронепокрытию
Из данных табл.4 следует, что прочность скрепления с БРТТ высокая. Она ниже, чем прочность бронепокрытия, за счет диффузии из топлива пластификаторов, но сравнима с прочностью топлива.
Изменение физико-механических характеристик торцевого бронепокрытия в процессе теплового старения в контакте с баллиститным топливом приведено в табл.5.
Таблица 5
Изменение физико-механических характеристик торцевого бронепокрытия в процессе теплового старения при температуре 50°С.
Испытание образцов после старения проводилось при Т=20°С
Характеристика
Температура старения
Время термостатирования, сутки
исходные значения
5
10
20
35
51
80
Прочность, σ, кгс/см<sup>2</sup>
+50
260
145
132
124
97
92
90
Деформация, ε, %
4,4
12,8
18,2
17,4
19,8
16,8
14,9
Модуль упругости, Е, кгс/см<sup>2</sup>
8100
1860
1230
1100
810
570
510
Эти изменения характеристик бронепокрытия происходят за счет диффузии в него пластификаторов из топлива. Они не являются критическими и вполне обеспечивают надежную эксплуатацию и огневое применение зарядов.
Изменение прочности скрепления торцевого бронепокрытия с баллиститным топливом при тепловом старении приведены в табл.6.
Таблица 6
Изменение прочности скрепления торцевого бронепокрытия к баллиститному топливу в процессе теплового старения образцов при температуре 60°С
Испытание образцов после старения проводилось при Т=20°С
Время термостатирования, сутки
Прочность скрепления, σ<sub>отр.</sub>, кгс/см<sup>2</sup>
Исх.
48
5
27
10
16,8
20
16
30
14,4
50
12,2
Из данных, приведенных в табл.6, следует, что прочность скрепления торцевого бронепокрытия с баллиститным топливом после выдержки образцов при Т=60°С в течение 50 суток уменьшилась, но данные изменения допустимы при эксплуатации зарядов.
В табл.7 приведены результаты испытаний торцевого бронепокрытия на долговременную прочность.
Таблица 7
Параметры уравнения долговременной прочности τ=В·σ<sup>-m</sup> после испытаний торцевого бронепокрытия при Т=+20, +50, минус 50°С
Характеристика образца
+20°С
+50°C
минус 50°С
m
lgB
m
lgB
m
lgB
Исходные (после изготовления)
9,9
22,7
5,6
12,0
60,5
162,3
Из данных табл.7 следует, что параметры m и lgB в уравнении долговременной прочности при Т=50, +20, минус 50°С также высокие.
В табл.8 приведены результаты испытаний образцов адгезионного соединения: торцевое бронепокрытие + баллиститное топливо на долговременную прочность.
Таблица 8
Параметры в уравнении долговременной прочности τ=В·σ<sup>-m</sup> адгезионного соединения: торцевое бронепокрытие + баллиститное топливо при Т=+20, +50, минус 50°С
Характеристика образца
+20°С
+50°С
минус 50°С
m
lgB
m
lgB
m
lgB
Исходные (после изготовления)
9,1
12,6
3,8
4,7
19,5
31,6
-m
Из данных табл.8 следует, что коэффициенты m и lgB в уравнении долговременной прочности τ=В·σ также достаточно высокие при Т=+20, +50, минус 50°С.