Помимо основных компонентов – нитроцеллюлозы и растворителя – в состав коллоидных топлив вводят различные добавки: стабилизаторы, повышающие стабильность зарядов при хранении, флегматизаторы, понижающие скорость горения топлив, катализаторы, улучшающие процесс горения при низких давлениях, технологические добавки, облегчающие процесс прессования зарядов, и красители.
РДТТ с двухосновными топливами имеют удельные импульсы в пределах 2000-2400Н*с/кг; большие значения относятся к топливам с более высоким содержанием нитроглицерина и с нитроцеллюлозой, обладающей большей степенью нитрации. Плотность коллоидных топлив лежит в пределах 1550- 1650 кг/м3.[1,стр.56-57]
1.1.3 Смесевые топлива
Смесевые топлива представляют собой механические смеси твердых окислителей и горючих.
Окислителями обычно служат твердые соли хлорной и азотной кислот, богатые кислородом, в частности, перхлорат аммония NН4СIO4, перхлорат калия КСIО4, нитрат натрия NаNО3 и др.
Основное применение в качестве окислителя смесевого топлива получил перхлорат аммония. Его использование позволяет получить топлива с приемлемыми эксплуатационными и достаточно высокими энергетическими характеристиками. Перхлорат калия, несмотря на большое содержание активного кислорода, обеспечивает меньшее значение удельных импульсов из-за образования в продуктах сгорания твердого КСI.
Нитраты - натриевая, аммиачная и калиевая селитры – дешевые доступные продукты, но они менее эффективны, чем перхлораты, и гигроскопичны и поэтому так же, как и перхлорат калия, широкого практического применения не имеют.
Горючее в смесевых топливах выполняет также роль связки. В качестве горючих в этих топливах применяют вещества с достаточно высокой теплотворной способностью и могущие связывать отдельные компоненты топлива. Обычно для этих целей используются синтетические полимеры типа каучук, смол и пластмасс (например, полиуретаны, полибутадиены, полисульфиды).
Твердые смесевые топлива изготовляют путем введения измельченных частиц окислителя в расплавленное горючее – связку. Полученную таким образом массу либо используют для изготовления шашек, которые затем вставляются в камеру сгорания, либо заливают непосредственно в камеру сгорания, где она затвердевает и прочно соединяется со стенками. Топливный заряд должен быть при этом достаточно упругим, чтобы под действием термических напряжений, вызванных разными коэффициентами линейного расширения материалов топлива и камеры, в нем не образовались трещины. Применение зарядов, прочно связанных конструкцией, улучшает полезное использование объема камеры; кроме того, если горение заряда происходит от центра к периферии, исключается необходимость защиты стенок камеры сгорания теплоизоляционными материалами.
Для большинства комбинаций твердых горючих и окислителей в стехиометрической смеси на долю окислителя приходится 85-90% и более. Однако при значительном его содержании вследствие малой доли горючего – связки ухудшаются механические свойства зарядов. Поэтому обычно в смесевых топливах коэффициент избытка окислителя меньше единицы и ниже оптимального значения. С этой точки зрения более благоприятны комбинации, обладающие сравнительно меньшей величиной æ0.
Смесевые топлива без добавок обеспечивают удельные импульсы того же порядка, что и двухосновные; плотность смесевых топлив находится в пределах 1700-1800 кг/м3. Повышения удельного импульса можно добиться, если вводить определенное количество металлического горючего. В настоящее время применяются смесевые топлива, содержащие добавки алюминиевого порошка, что увеличивает теплотворную способность топлива. Правда, при этом в продуктах сгорания появляется многоатомная окись алюминия АI2О3, значительная часть которой конденсируется; тем не менее, имеет место выигрыш в удельном импульсе. Добавки алюминия до 5-15% повышают удельный импульс на 100-200 Н*с/кг. Разрабатываются и другие способы повышения удельного импульса твердых топлив, в частности, синтезированием горючих, в которых металлические элементы химически связаны с другими компонентами. Повышение удельного импульса возможно и применением более эффективных окислителей. Таким, в частности, является перхлорат лития LiCIO4. Повышение доли окислителя в твердых смесевых топливах до определенных пределов так же должно способствовать повышению удельного импульса.
Смесевые топлива имеют ряд преимуществ перед двухосновными. Они дешевле, технологичнее, позволяют создавать заряды, плотно прилегающие к оболочке; при наличии металлических добавок они обеспечивают больший удельный импульс; наконец, они позволяют путем изменения рецептуры получить более широкий диапазон изменения свойств топлива.
Иногда применяются твердые топлива смешанного типа, включающие в себя элементы как смесевых, так и двухосновных топлив. Для примера укажем на состав топлива двигателя одной из баллистических ракет; перхлорат аммония, нитроглицерин, нитроцеллюлоза, алюминиевый порошок.[1,стр.57-59]
Несмотря на многообразие существующих и разрабатываемых в иностранных лабораториях составов, смесевые топлива, как правило, содержат следующие вещества (по весу):
Окислители (перхлорат калия, нитрат аммония)………………..60-80%
Горюче-связующие вещества (каучуки, полиуретаны)…………25-15%
Алюминий (в виде порошка)………………………………………10-5%
Катализаторы и другие специальные вещества………………….до 5%.
Нитрат аммония (аммиачная селитра) NH4NO3- белый кристаллический порошок с удельным весом 1,7г/см3. Разлагается при нагревании выше 170°С. Очень гигроскопичен. Способен гореть и взрываться. При горении выделяется большое количество только газообразных продуктов.[2,стр.22,26]
1.1.4 Физические свойства
Плотность топлив является ответственной их характеристикой и всегда контролируется при производстве топлив.
Пониженная плотность топлив говорит о том, что в топливе имеются поры и пустоты, недопустимые для качественных зарядов топлив. Пониженная плотность сказывается и на скорости горения топлива: с уменьшением плотности она увеличивается и наоборот.
К теплофизическим характеристикам относятся удельная теплоемкость Сp, коэффициент теплопроводности λ и коэффициент температуропроводности α. Эти величины характеризуют способность топлив воспринимать тепло при воздействии температуры и проводить (распространять) его по толщине топлива. Они используются при теоретических расчетах термических напряжений зарядов, скрепленных с камерой двигателя, скоростей горения топлив в двигателях.
Изменение физических свойств топлив при хранении происходит под влиянием изменения внешней температуры, влаги и времени.[2,стр.42]
На поверхности ультрадисперсных частиц происходит радикальная перестройка расположения атомов и изменения типа межатомных связей по сравнению с поверхностью крупных частиц.[3].
В ультрадисперсных частицах реализуется особый тип дальнего порядка, при котором межатомные расстояния закономерно изменяются при переходе от центра частицы к ее поверхности, что приводит к образованию множества дефектов как на поверхности частицы, так и в ее объеме и увеличивает активность такой системы в целом.
1.1.5 Механизм горения
В механизме горения смесевых топлив имеется ряд особенностей, определяемых составом и природой входящих в них веществ.
Горение смесевых топлив начинается в твердой фазе с термического распада окислителей и горюче-связующих веществ. Завершается процесс горения в газовых фазах за счет интенсивных химических реакций между газообразными продуктами термического распада компонентов.
Для горения смесевых топлив наиболее характерны большие температуры поверхности горения (до 500-600ºС) и более близкие к поверхности горения максимальные температуры горения.
Процесс горения твердых ракетных топлив очень чувствителен к внешним воздействиям - давлению и начальной температуре топлива. При повышении давления и температуры резко сокращаются темная и смешанная зоны, и пламенная зона вплотную подходит к поверхности горения. Увеличивается подвод тепла к поверхности горения, скорость горения растет, а зона прогрева сужается. Чтобы избежать этих неблагоприятных условий, применяют катализаторы горения, ускоряющие химические реакции в твердой и газовой фазах, которые способствуют более полному горению и в конечном итоге улучшают характеристики топлив.[2,стр.58-59]
Введение АI в топливные системы, содержащие органическое горючее и неорганический окислитель, способствует повышению воспламеняемости, скорости горения и оказывает влияние на зависимость скорости горения от давления.
1.1.6 Скорость горения топлив
Для количественной оценки процесса горения топлив используют либо скорость перемещения фронта горения, либо массу топлива, сгорающего в единицу времени с единицы поверхности.
В первом случае скорость горения называют линейной и выражают в мм/сек или см/сек, во втором – массовой и выражают в г/см2*сек. В практике чаще пользуются линейной скоростью горения.
Скорость горения является очень важной рабочей характеристикой топлива, так как по ней судят о количестве газов, которые образуются при горении топлива в единицу времени с поверхности заряда. Она является одним из основных параметров при проектировании зарядов топлив.
Скорость горения топлива зависит от давления в двигателе, начальной температуры топлива, его плотности, энергетических характеристик, природы составных частей топлива, размера частиц окислителя (в смесевых топливах) и катализаторов горения.
Для практических целей всегда необходимо знать, прежде всего, зависимость скорости горения от давления.