Kiinteää ponneainetta

Kiinteä rakettipolttoaine  (SRT) on kiinteä aine tai yksittäisten aineiden seos, joka voi palaa ilman ilmaa vapauttaen suuren määrän korkeaan lämpötilaan kuumennettua kaasumaista käyttönestettä . Käytetään kiinteän polttoaineen rakettimoottoreissa suihkun työntövoiman tuottamiseen.

Päätyypit

Homogeeniset polttoaineet

Homogeenisissa polttoaineissa samat molekyylit toimivat samanaikaisesti polttoaineena ja hapettimena , tällaisiin polttoaineisiin kuuluu lähes aina nitroselluloosa [1] .

Koska palamiskuvun paksuuden lisääminen yli 10 mm yksiemäksisille polttoaineille on vaikeaa johtuen haihtuvan liuottimen poiston kestosta paksuista jauhepatruunoista [2] , homogeenisista polttoaineista, kaksiemäksiset polttoaineet ovat yleisimpiä. kiinteät kolloidiset liuokset (yleensä nitroselluloosa ) haihtumattomassa liuotinpehmittimessä (yleensä nitroglyseriinissä , mutta käytetään muita räjähteitä, esim. EGDN , di- ja trinitrotolueeni ). Klassinen esimerkki tämäntyyppisestä ponneaineesta on ballistinen ponneaine . Selluloosanitraatilla on negatiivinen happitasapaino, nitroglyseriinillä hieman positiivinen happitase. Tämän tyyppisten TRT-lohkojen valmistukseen kuuluu jatkuva puristus ruuvipuristimella 60-80 °C:n lämpötilassa.

Tällaisten polttoaineiden etuja ovat hyvät mekaaniset ominaisuudet ( nykyaikaisten ballististen polttoaineiden vetolujuus on 10-20 MPa ,[ selventää ] ja muita rakenteellisia ominaisuuksia, korkea varastointikestävyys , teollisuuden kypsyys ja alhaiset kustannukset sekä alhainen kiinteiden ja kondensoituneiden hiukkasten pitoisuus palamistuotteissa (eli "savuttomuus") ja ympäristölle haitallisia aineita (kloorin puuttumisen vuoksi). Haittoja ovat rajalliset mahdollisuudet lisätä ominaisimpulssia ja mahdottomuus saada suurikokoisia nappuloita (halkaisijaltaan yli 1 metri) [4] .

Savujauhe

Historiallisesti ensimmäinen sekoitettu ponneaine oli musta jauhe, mutta nyt sitä käytetään kiinteänä ponneaineena vain pyroteknisissä tuotteissa eri tarkoituksiin ja malliraketeissa. Se on helppo saada, mutta sillä on alhainen ominaisimpulssi, epätasainen palaminen, se on hygroskooppinen ja suurikokoisia nappuloita on vaikea saada. Säilytettäessä suurikokoisia nappuloita yli 1-3 vuoden ajan, nappula halkeilee salaattikiteiden kasvun ja nappulan kosteuden muutosten vuoksi. Syntyvät halkeamat heikentävät varastoinnin vakautta ja voivat johtaa pelletin tuhoutumiseen palamisen aikana. Mustajauhepellettien varastoinninkestävyyden parantamiseksi Ruotsissa ehdotettiin 1800-luvun lopulla, että osa hiilestä korvattaisiin öljyn asfaltti-bitumifraktiolla. Tämä lisäsi halkaisijaltaan 200–800 mm:n tammien säilyvyyttä lähes 3 kertaa (halkaisijaltaan 200 mm:n tammille jopa 7 vuotta). Alan kehittäessä savuttomia jauheita, halkaisijaltaan yli 40-50 mm:n TRT-tampuloita ei valmisteta savuttomista jauheista.

Nykyaikaiset sekoitetut polttoaineet

Kiinteät polttoaineet (CTT) ovat kiinteän polttoaineen ja hapettimen seos. On olemassa suuri määrä erilaisia ​​rakettitiedettä soveltuvia seoksia. Yleensä ne kaikki on luotu pienen määrän tehokkaita kiinteitä hapettimia ympärille, jotka on yhdistetty erilaisiin palaviin aineisiin. Tunnetuimmat hapettavat aineet:

Polttoaineina käytetään seuraavia:

Nykyaikaisissa suuritehoisissa kiinteän polttoaineen moottoreissa käytetään useimmiten ammoniumperkloraatin seosta alumiinin ja kumin kanssa. Joskus kumien sijasta käytetään polyuretaania, mikä mahdollistaa TPT-ruudun säilyvyyden pidentämisen ja sen jäykkyyden lisäämisen, mutta valmistettavuuden kustannuksella. Alumiini on pääasiallinen lämpöenergian lähde hapetusreaktion korkean lämpöarvon vuoksi. Korkeasta kiehumispisteestä johtuen kiinteän ponneaineen rakettisuihkussa oleva alumiinioksidi on kuitenkin kiinteä aine eikä suorita termodynaamista työtä laajeneessaan suuttimessa. Siksi kaasumaisten tuotteiden päälähde on polymeerinen sideaine. TRT:n kiinteiden palamistuotteiden sekoitus lisää sisäistä kitkaa kaasusuihkussa, mikä heikentää kiinteän polttoaineen rakettimoottorin hyötysuhdetta. Tällaisen polttoaineen ominaisimpulssi on noin 250-280 sekuntia.

Useissa sotilaallisissa tuotteissa, joilla on korkeat suorituskykyominaisuudet, ammoniumperkloraatin sijasta käytetään joskus ammoniumdinitramidia, joka antaa korkeamman ominaisimpulssin. Se on kuitenkin paljon kalliimpaa, vaatii huolellista käsittelyä TPT-patruunan valmistusvaiheessa ja lisää patruunan herkkyyttä lumbagolle ja räjähdykselle.

TRT-energiaa useille sotilaallisille ohjuksille (SAM, ICBM, ilmataisteluohjukset jne.) lisätään lisäämällä TRT: hen HMX , mikä huonontaa jonkin verran toimintaominaisuuksia, mutta mahdollistaa TRT:n ominaisimpulssin lisäämisen [5] .

Viime vuosikymmeninä kiinteiden rakettipolttoaineiden energiaominaisuuksien parantamiseksi sekä haitallisten ympäristövaikutusten vähentämiseksi on etsitty intensiivisesti kloorittomia hapettimia TRT:lle korvaamaan ammoniumperkloraattia, mutta kaikki ehdotetut aineet ovat edelleen liian kalliita, tehottomia tai vaarallisia.

STT-tuotannon ensimmäinen vaihe sisältää hapettimen valmistuksen (jauhatus ja kuivaus) ja polttoainesideaineen valmistuksen (oligomeerien, pehmittimien ja redox-käynnistysjärjestelmän (OVIS) orgaanisen osan sekoittaminen). Sitten hapettava aine sekoitetaan OVIS:n mineraalikomponenttien kanssa ja polttoainesideaine sekoitetaan muihin kiinteisiin komponentteihin (räjähteet, metallijauheet, polttokatalyytit, kemiallisen stabiilisuuden stabilisaattorit jne.). Viskoosin polttoainesideaineen ja hapettimen sekoitus suoritetaan pyörivissä tai pyörivissä sekoittimissa pienellä pyörimisnopeudella. Valmis massa täytetään kiinteän polttoaineen rakettimoottorin runkoon tai muottiin (aiemmin päällystetty tartunta-aineella). Tarkistaa pidetään jonkin aikaa korotetussa lämpötilassa (45-70 * C) lämpökammiossa. Mitä suurempi varaus ja korkeampi polttoaineen energia, sitä alhaisempi lämmityslämpötila ja pidempi altistus. Kun polymeerinen polttoainesideaine on silloitettu kolmiulotteisella ristisidosverkolla, lohko jäähdytetään ja poistetaan muotista (jos se on valettu muottiin) tai lähetetään kiinteän polttoaineen rakettimoottorin lopulliseen kokoonpanoon (jos se oli valettu moottorin koteloon). CTT:t ovat kalliimpia ja vaikeampia valmistaa TRT:tä, mutta ne tarjoavat korkean energiatehokkuuden ja mahdollistavat melkein minkä tahansa kokoisten (jopa useita satoja tonneja tai enemmän) tammivalmistuksen [4] .

Modifioidut kaksiemäksiset ponneaineet

Sekapolttoaineisiin voidaan lisätä komponentteina merkittäviä määriä kaksiemäksisiä polttoaineita. Tällaisia ​​koostumuksia kutsutaan modifioiduiksi kaksiemäksisiksi polttoaineiksi.

Karamellipolttoaine

Kotitekoinen sekoitettu polttoaine, joka perustuu kaliumnitraattiin ja jokapäiväisessä elämässä saatavilla oleviin orgaanisiin sideaineisiin ( sorbitoli , sokeri jne.) on yleistynyt artesaanirakettien mallintamisessa . Se on melko yksinkertainen valmistaa ja käsitellä, sillä on alhainen ominaisimpulssi, sille on ominaista epävakaat ominaisuudet ja se on vaarallinen tuotannossa. Samanlaiset artesaanimuodostelmat käyttävät joskus epäsäännöllisiä aseistettuja kokoonpanoja lyhyen kantaman ohjaamattomiin raketteihin (esimerkiksi NUR " Kassam ").

Epätavalliset polttoaineet

Vuonna 2009 Yhdysvalloissa suoritettiin maapalotestit kiinteällä polttoaineella toimivalle moottorille, joka perustui vesijäähän ja hienojakoiseen (noin 80 nanometriä) alumiinijauheeseen [6] [7] . Nykyään NASA pitää tätä seosta erittäin lupaavana (erityisesti halvuutensa vuoksi) vaihtoehtona kiinteille polttoaineille.

Kiinteät-nestemäiset polttoaineet

Tunnetaan rakettimoottorit, joissa polttoaine on kiinteä polttoaine ja hapetin nestemäinen aine, joka syötetään polttokammioon pumpuilla putkistojen kautta. Tällaisen polttoaineen etuja ovat kyky hallita moottorin työntövoimaa, korkeampien palamislämpötilojen saavuttaminen jäähdyttämällä kammio nestemäisellä hapettimella. Tällaiset rakettimoottorit ovat LRE :n ja kiinteän polttoaineen rakettimoottorien välissä [8] .

Palamisprosessi

Polttoprosessi sisältää kolme vaihetta:

  • inertti lämmitys;
  • polttoaineen komponenttien hajoaminen;
  • kaasumaisten oksidien kemiallinen vuorovaikutus. palavia elementtejä, joista vapautuu suuri määrä lämpöä.

Kaikki nämä prosessit etenevät samanaikaisesti, eikä niitä käytännössä jaeta spatiaalisiin vyöhykkeisiin lähellä palavan tarkistimen pintaa. TPT:n palamistuotteiden korkea kiinteiden hiukkasten pitoisuus vähentää paineen vaikutusta pelletin palamisnopeuteen. TRT-polttokatalyyttejä käytetään vähentämään satunnaisten paineen laskujen ja alkulämpötilan vaikutusta patruunan palamisnopeuteen ja työntövoiman vaihteluihin. Useimmiten siirtymämetallien mineraali- tai orgaaniset yhdisteet toimivat palamiskatalyytteinä. Esimerkiksi: rautaoksidi, kromioksidi, lyijydikromaatti, lyijyoksidi, lyijykarbonaatti, ferroseeni , koboltti ja kromi trisasetyyliasetonaatit jne. Näitä lisäaineita lisätään ballistisen TRT:n ja STT:n koostumuksiin, useimmiten 1- 5 %.

Joka tapauksessa paineen nousu pelletin palamisalueella johtaa jonkin verran palamisnopeuden nousuun. Tietyissä olosuhteissa tämä voi johtaa kiinteän polttoaineen rakettimoottorin rungon tuhoutumiseen. Korkeat lämpötilat voivat myös aiheuttaa joidenkin ballististen ponneaineiden pehmenemisen ja muodon muuttamisen kiinteän ponneaineen kotelossa. Kun tällainen kiinteän polttoaineen rakettimoottori laukaistaan, patruuna tuhoutuu ja suuttimen kriittinen osa tukkeutuu .

Palonopeuden arvoon vaikuttavat tekijät:

  • hapettimen ja metallisen polttoaineen fraktiohiukkaskoko;
  • polttoaineen koostumus;
  • alkulämpötilan vaikutus;
  • paineen vaikutus polttokammioon;
  • teknisten lisäaineiden vaikutus;
  • polttoaineen palamispinnan yli puhaltavan kaasuvirran nopeuden vaikutus.

Sovellus

  • Pyroteknisissä tuotteissa, myös siviilituotteissa, käytetään halpaa ja luotettavaa mustaa jauhetta. Pienikokoiset tuotteet (kohtaisella ominaisimpulssilla ja maksimipalamispaineella) pysyvät toimintakunnossa lähes loputtomiin, jos ne suojataan kosteudelta ja lämpötilan muutoksilta.
  • Pääsääntöisesti suhteellisen halpaa ruutia , joka perustuu kiinteään nitroselluloosan liuokseen nitroglyseriinissä ja/tai muissa nestemäisissä nitroestereissä (dietyleeniglykolidinitraatti jne.), käytetään kiinteän polttoaineen tehostimessa ohjusten ja/tai lähitaisteluohjusten laukaisuun ( SAM , NURS , ATGM , ATGM ).
  • Suurissa kantoraketeissa (esimerkiksi amerikkalaisissa sukkuloissa ), ICBM :issä ja muissa kiinteää polttoainetta käyttävissä raketteissa, jotka vaativat maksimaalista energiaa, käytetään yleensä sekapolttoaineita. STT:tä käytetään myös joissakin laivantorjuntaohjuksissa ja ohjuksissa korkean ominaisimpulssin ja patruunan pitkän vakaan palamisen vuoksi.

Venäläiset kiinteän polttoaineen kehittäjät ja valmistajat

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ TU Delft: Kiinteät rakettipolttoaineet ja niiden ominaisuudet  (englanniksi)  (downlink) . Käyttöpäivä: 16. helmikuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 4. maaliskuuta 2016.
  2. ↑ Neuvostoliiton armeijan RS-rakettipanosten luomisen historia vuosina 1941-1945 . epizodsspace.airbase.ru. Haettu 20. helmikuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 22. helmikuuta 2020.
  3. ↑ Vetrov V. V. et al. Panssarintorjuntaohjusten suunnittelun ja toiminnan perusteet  / toim. A. G. Shipunova . - Tula: TulGU, 2006. - ISBN 5-7679-0867-0 .
  4. ↑ 1 2 Räjähteiden heittäminen (pääsemätön linkki) . Kemia ja kemian teknologia elämässä . Käyttöpäivä: 27. tammikuuta 2015. Arkistoitu alkuperäisestä 28. tammikuuta 2015. 
  5. ↑ Ya.M. Paushkin. Rakettipolttoaineet / B.I. Trifonov. - Raketti- ja avaruustekniikka. - Moskova: Mir, 1975. - S. 8-12. — 188 s.
  6. ↑ Rakettivaihtoehto //RBC päivittäin, 2009-08-25
  7. ↑ Uusi rakettipolttoaineen sekoituksia jäätä ja metallia arkistoitu 15. huhtikuuta 2012 Wayback Machinessa // Space.com
  8. ↑ Gilberg L. A. Lentokoneesta kiertoratakompleksiin. - M., Enlightenment, 1992. - s. 103

Linkit

  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat