НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 662.1:621.455

ОАО «ФНПЦ «НИИ прикладной химии»

МГТУ им. Н.Э. Баумана

otd11_niiph@mail.ru

daj@mx.bmstu.ru

korolev100-rd@mail.ru

НБГТ в составе ГГ широко используются в оборонной и гражданской отраслях промышленности в качестве источника низкотемпературного смешанного газа. Например, газогенераторы, снаряженные зарядами НБГТ, применяются в системах ПЭИМ, устройствах раскрутки ротора турбореактивных двигателей, для вытеснения жидкости в системах пожаротушения, наддува аварийно-спасательных средств и т.д.

Широкая сфера применения ГГ, снаряженных зарядами НБГТ, обусловлена рядом их преимуществ по сравнению с другими источниками низкотемпературного газа. К числу таких преимуществ следует отнести высокую надёжность, компактность, постоянную готовность к действию, быстроту срабатывания, высокую удельную газопроизводительность, работоспособность в различных условиях, способность к длительному хранению. Таким образом, широкое применение ГГ в военной технике и хозяйственных отраслях позволяет говорить об актуальности исследования и разработки НБГТ.

Специфика работы объектов, в которых применяются заряды НБГТ, обусловливает необходимость обеспечения соответствия их термодинамических, баллистических и физико-механических характеристик комплексу предъявляемых требований.

Термодинамические характеристики НБГТ должны обеспечивать высокие значения газопроизводительности W и работоспособности RT, а также иметь низкие значения температуры горения Т_гор, теплоты сгорания Q_сг, молярной массы газов μ и количества конденсированной фазы z. Низкая температура горения топлив (Т_гор ≤ 1700 К) необходима для сохранности перемещаемых элементов исполнительных механизмов. Баллистические характеристики НБГТ должны обеспечивать получение высокой скорости горения Uи сравнительно низких значений показателя степени ν в зависимости U(р). Наличие последнего требования обусловлено необходимостью обеспечения стабильного горения топлива в широком диапазоне давлений, что снижает возможность возникновения аномального режима работы ГГ. Физико-механические характеристики топлив должны соответствовать требованиям достижения высокой прочности при сжатии σ_и и растяжении изгибающим моментом σ_сж. Данное требование является особенно актуальным для зарядов НБГТ, используемых в ГГ СОЗР, т. к. рабочее давление в их камере сгорания (КС) имеет высокие значения (р_КС ≤ 55 МПа). Применение в указанных условиях топлив с низкой прочностью повышает опасность перехода режима горения из послойного в объёмный, что приводит к разрушению эксплуатируемого объекта.

Главная проблема, возникающая при разработке НБГТ, заключается в том, что при снижении температуры горения происходит уменьшение скорости горения топлив. С целью обеспечения высокой скорости горения НБГТ при сохранении низкой температуры горения было проведено исследование, предусматривающее включение в топливные рецептуры следующих модификаторов: бихромат аммония (БХА) (NH₄)₂Cr₂O₇, бихромат калия (БХК) K₂Cr₂O₇,оксид ванадия (V) (ОВН) V₂O₅, оксид висмута (III) (ОВС) Bi₂O₃, оксид никеля (II) (ОНК) NiO, оксид молибдена (ОМЛ) (VI) MoO₃, оксид титана (ОТТ) (IV) TiO₂, оксид хрома (ОХР) (III) Cr₂O₃, оксид циркония (ОЦР) ZrO₂, оксид вольфрама (ОВЛ) (VI) WO₃, оксид железа (III) Fe₂O₃, оксид иттрия (ОИ) Y₂O₃, сульфат калия (СКЛ) K₂SO₄, оксид меди (ОМД) (II) CuO, бензоат натрия (БНТ) NaC₇H₅O₂, салицилат натрия (СНТ) NaC₇H₅O₃, оксид свинца (ОСВ) (II, IV) Pb₃O₄, хромат стронция (ХСТ) SrCrO₄, фторид цезия (ФЦЗ) CsF, фторид церия (ФЦР) CeF₃. Выбор указанных веществ производился по данным литературных источников [1, 2].

Основными компонентами исследуемых топлив являлись горючее (нитрогуанидин) и окислитель (перхлорат аммония). Для регулирования температуры горения в состав НБГТ была включена газообразующая добавка уротропин. С целью обеспечения механической прочности топлив использовалось связующее, представляющее собой смесь идитола и каучука БНКС. Формирование рецептур НБГТ осуществлялось таким образом, чтобы их температура горения имела приблизительно одинаковые значения (T_гор ~1650 К). Количество модификатора в рецептурах НБГТ, было фиксированным и составляло 7 %. Твёрдые компоненты топлив имели микронный уровень дисперсности. На базе вышеуказанных компонентов были сформированы 20 вариантов топлив (типа 62-30), в состав индекса которых входит обозначение используемого модификатора.

Оценка эффективности модификаторов осуществлялась методом сравнения термодинамических, баллистических и физико-механических характеристик НБГТ с параметрами топлива-эталона 62-30-ЭТ, не содержащего модификатора.

Значения термодинамических характеристик НБГТ вычислялись с помощью программного комплекса «Астра» [3].Результаты расчётов представлены в таблице 1.

Таблица 1

Термодинамические характеристикиисследуемыхНБГТ

Для удобства представления и анализа полученных характеристик рассматриваемые НБГТ были разделены на 5 групп (по 4 топлива + топливо-эталон 62-30-ЭТ).

Скорость горения топлив при повышенном давлении (в интервале р = 2 ¼10 МПа) определялась в генераторе давления ГД-2М [4]. Значения скорости горения исследуемых групп топлив, а также показатель ν и коэффициент U₀ в зависимости U(р), приведены в табл. 2-6. На рис. 1-3 приведены зависимости скорости горения от давления для рассматриваемых групп НБГТ.

Таблица 2

Баллистические характеристики НБГТ 1 группы

Таблица 3

Баллистические характеристики НБГТ 2 группы

а)
1 – 62-30-БХА; 2 – 62-30-БХК; 3 – 62-30-ОИ; 4 – 62-30-ОМД;5 – 62-30-ЭТ

б)
1 – 62-30-ОЖ; 2 – 62-30-ОВН; 3 – 62-30-ОМЛ; 4 – 62-30-ОВЛ;5 – 62-30-ЭТ

Рис. 1. Зависимости скорости горения от давления для НБГТ:а) 1группы; б) 2 группы

Таблица 4

Баллистические характеристики НБГТ 3 группы

Таблица 5

Баллистические характеристики НБГТ 4 группы

а)
1 – 62-30-ОСВ; 2 – 62-30-ОХР; 3 – 62-30-ОЦР; 4 – 62-30-БНТ;5 – 62-30-ЭТ

б)
1 – 62-30-ОВС; 2 – 62-30-ОНК; 3 – 62-30-СКЛ; 4 – 62-30-СНТ;5 – 62-30-ЭТ

Рис. 2. Зависимости скорости горения от давления для НБГТ: а) 3 группа; б) 4 группа

Таблица 6

Баллистические характеристики НБГТ 5 группы

1 – 62-30-ХСТ;2 – 62-30-ОТТ; 3 – 62-30-ФЦР;4 – 62-30-ФЦЗ; 5 – 62-30-ЭТ

Рис. 3. Зависимости скорости горения от давления для НБГТ 5 группы

Физико-механические характеристики НБГТ оценивались на основе значений предела прочности при растяжении изгибающим моментом и сжатии. Для удобства представления и анализа результатов исследуемые топлива были разделены на 2 группы. Полученные результаты приведены в таблицах 7, 8.

Таблица 7

Физико-механические характеристики НБГТ 1 группы

Таблица 8

Физико-механические характеристики НБГТ 2 группы

Для анализа эффективности рассматриваемых НБГТ на рис. 4 (а, б) приведены значения предела прочности при растяжении изгибающим моментом, являющейся наиболее важной физико-механической характеристикой данных зарядов.

а)
1 – 62-30-ЭТ; 2 – 62-30-БХА; 3 – 62-30-БХК; 4 – 62-30-ОВН; 5 – 62-30-ОВС; 6 – 62-30-ОНК; 7 – 62-30-ОМЛ; 8 – 62-30-ОТТ; 9 – 62-30-ОХР; 10 – 62-30-ОЦР; 11 – 62-30-ОВЛ

б)

1 – 62-30-ЭТ; 2 – 62-30-ОЖ; 3 – 62-30-ОИ; 4 – 62-30-СКЛ; 5 – 62-30-ОМД; 6 – 62-30-БНТ; 7 – 62-30-СНТ; 8 – 62-30-ОСВ; 9 – 62-30-ХСТ; 10 – 62-30-ФЦЗ; 11 – 62-30-ФЦР

Рис. 4. Экспериментальные значения предела прочности НБГТ при растяжении изгибающим моментом:а) 1 группа; б) 2 группа

В результате анализа термодинамических, баллистических и физико-механических характеристик исследуемых НБГТ получены следующие данные.

Высокой газопроизводительностью (W ³ 1,06 м³/кг) обладают НБГТ, содержащие модификаторы СНТ, БНТ, БХА, ОЦР, БХК, ОВЛ. Высокая работоспособность (RT ³ 650 кДж/кг) характерна для топлив, включающих модификаторы БХА, ОВН, БНТ, СНТ. Обеспечению низкой молярной массы газов (μ ≤ 19,95 г/моль) способствует применение модификаторов ХСТ, ФЦР, БХА.  Для получения низкой теплоты сгорания топлив (Q_сг < 4,69 МДж/кг) целесообразно использовать модификаторы ОТТ, СКЛ, ОВЛ, ОЖ, ОЦР, ОНК, ОИ. Отсутствие конденсированной фазы в составе продуктов сгорания (z = 0) характерно для НБГТ, содержащих модификаторы ОВС, ОВЛ, ОСВ, ФЦЗ.

Наиболее высокие значения скорости горения (U > 7 мм/с при р = 10 МПа) топлив обеспечивает включение в их рецептуры модификаторов БХА, ОЖ, БХК, ОВН. Применение указанных модификаторов обусловило повышение скорости горения НБГТ относительно топлива-эталона соответственно в 2,8; 2,4; 2,2; 2,0 раза. К снижению зависимости скорости горения от давления (ν ≤ 0,5) приводит использование модификаторов ОВН, ОНК, БХК, БХА.

Высокой прочностью при растяжении изгибающим моментом (σ_и > 20 МПа) обладают НБГТ, включающие модификаторы ОИ, ХСТ, БНТ, ОМД. Высокая прочность при сжатии (σ_сж > 55 МПа) характерна для топлив, содержащих модификаторы ОСВ, ФЦР, ОВЛ, ОМД, ОНК, ОХР, ОЖ, БХА.

Комплексный анализ полученных характеристик НБГТ показал, что наиболее эффективным является применение в качестве модификаторов бихромата аммония, оксида железа, бихромата калия и оксида ванадия. При использовании оксида железа рекомендуется принять меры по снижению показателя степени ν в законе горения НБГТ.

При разработке НБГТ для систем ПЭИМ был выбран бихромат аммония, являющийся наиболее эффективным модификатором горения. Данному топливу присвоен индивидуальный индекс 62-35.Количество БХА в НБГТ 62-35, вследствие ограничений по содержанию конденсированной фазы, составляет 5 %. Помимо перечисленных компонентов, топливо включает 1 % порошка алюминиево-магниевого ПАМ-4 (для обеспечения стабильности процесса горения в условиях высокого давления) и ~ 1 % графита (для улучшения прессуемости). Температура горения топлива составляет Т_гор = 1700 К. Из НБГТ 62-35 разработаны 3 варианта зарядов, представляющих собой совокупность канальных таблеток всестороннего горения в количестве 1, 4 и 6 шт. Заряды формировались методом глухого прессования на гидравлических прессах.

На базе ОАО «ФНПЦ «НИИ прикладной химии» проведены огневые стендовые испытания (ОСИ) зарядов из разработанного топлива в составе модельной установки СОЗР, представляющей собой толстостенный сосуд, внутри которого с помощью вту­лок переменной длины имитируется свободный объем рабочей камеры. Схема модельной установки приведена на рис. 5.

1 – втулка; 2 – рабочая ёмкость; 3 – заряд из состава 62-35; 4 – таблетка из универсального воспламенительного состава; 5 – пиропатрон

Рис. 5. Схема модельной установки СОЗР

Объектами испытаний являлись заряды трёх типов: 1-го открытия, закрытия, 2-го открытия. Указанные заряды должны обеспечивать следующие значения давления в рабочей ёмкости установки СОЗР: в режиме 1-го открытия рулей –p = 22 ¼37 МПа за время τ = 0,03 ¼0,15 с; в режиме закрытия рулей –p = 15 ¼30 МПа за время τ = 0,01 ¼0,06 с; в режиме 2-го открытия рулей –p = 30 ¼55 МПа за время τ = 0,03 ¼0,15 с.

На рис. 6 представлены результаты ОСИ зарядов из разработанного НБГТ в модельной установке СОЗР.

а)

б)

в)

Рис. 6. Динамика изменения давления в ёмкости модельной установки СОЗР при работе зарядов трех типов: а) заряд 1-го открытия; б) заряд закрытия; в) заряд 2-го открытия

Из рис. 6 следует, что режим работы модельной установки СОЗР, снаряженной зарядами из созданного НБГТ 62-35, соответствует предъявляемым требованиям.

ОСИ зарядов в натурной установке СОЗР проводились на базе Дмировского филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана. Результаты испытаний приведены на рис. 7, 8.

1 – заряд 1-го открытия; 2 – заряд закрытия; 3 – заряд 2-го открытия

Рис. 7. Динамика изменения давления в ёмкости натурной установки СОЗР

1 – заряд 1-го открытия; 2 – заряд закрытия; 3 – заряд 2-го открытия

Рис. 8. Динамика изменения ориентации (поворот) рулей в установке СОЗР

В результате проведения огневых стендовых испытаний зарядов, изготовленных из разработанного топлива 62-35, подтверждено соответствие их рабочих характеристик предъявляемому комплексу технических требований.

Выводы

1. Определены закономерности влияния природы 20 модификаторов на термодинамические, баллистические и физико-механические характеристики НБГТ на основе нитрогуанидина, перхлората аммония и уротропина.

2. В результате расчётно-экспериментального исследования НБГТ и применения метода рецептурного регулирования установлено:

– наиболее эффективным модификатором для рассмотренной группы топлив является бихромат аммония;

–к числу перспективных модификаторов горения также можно отнести оксид ванадия, бихромат калия и оксид железа (III);

– применение оксида ванадия наиболее целесообразно для повышения стабильности рабочего про­цесса, что характерно для топлив, отличающихся слабой зависимостью скорости горения от давления.

3. На основе результатов проведённого исследования разработано высокоэффективное НБГТ 62-35 для систем перемещения элементов исполнительных механизмов.

Список литературы

1.     А.П. Глазкова. Катализ горения взрывчатых веществ. – М.: Изд-во «Наука», 1976. – 264 с.

2.     Н.Н. Бахман, А.Ф. Беляев. Горение гетерогенных конденсированных систем. – М.: Изд-во «Наука», 1967. – 228 с.

3.     Трусов Б.Г.  Моделирование  химических  и  фазовых равновесий  при высоких  температурах  «Астра 4». – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1991. – 40 c.

4.     Генератор давления ГД-2М. Техническое описание и инструкция по эксплуатации  / НИИ прикладной химии. – Инв. №10264. – Загорск, 1975. – 15 с.