Пороха, ракетные твердые топлива и их свойства. Физико-химические свойства порохов и ракетных твердых топлив
Покупка
Основная коллекция
Издательство:
НИЦ ИНФРА-М
Год издания: 2025
Кол-во страниц: 400
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-16-020060-6
ISBN-онлайн: 978-5-16-103098-1
Артикул: 444150.08.01
В пособии даны понятия и определения порохов и РТТ как сложных энергообогащенных систем, изложены теоретические основы их физико-химических свойств, определены назначение и факторологическая роль их характеристик. Особое внимание уделено свойствам порохов и РТТ как метательных ВВ, а именно энергетическим и баллистическим свойствам, а также процессу горения, определяющему образование газообразного рабочего тела. Материал пособия иллюстрирован справочными данными, графиками, рисунками и примерами. Показана тесная связь физической химии порохов и РТТ с другими прикладными науками, а также использование их в технике.
Настоящее учебное пособие составлено применительно к действующим вузовским программам по физико-химическим свойствам порохов и РТТ, а также по внутренней баллистике ствольных и реактивных систем оружия.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 24.03.01: Ракетные комплексы и космонавтика
- 24.03.05: Двигатели летательных аппаратов
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
А.В. КОСТОЧКО Б.М. КАЗБАН ПОРОХА, РАКЕТНЫЕ ТВЕРДЫЕ ТОПЛИВА И ИХ СВОЙСТВА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРОХОВ И РАКЕТНЫХ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего образования «Казанский государственный технологический университет» Москва ИНФРА-М 2025
УДК 662.2/.3(075.8) ББК 35.51я73 К72 Косточко А.В. Пороха, ракетные твердые топлива и их свойства. Физико-хи мические свойства порохов и ракетных твердых топлив : учебное пособие / А.В. Косточко, Б.М. Казбан ; Федер. агентство по образованию, Казан. гос. технол. ун-т. — Москва : ИНФРА-М, 2025. — 400 с. — (Высшее образование). ISBN 978-5-16-020060-6 (print) ISBN 978-5-16-103098-1 (online) В пособии даны понятия и определения порохов и РТТ как сложных энергообогащенных систем, изложены теоретические основы их физикохимических свойств, определены назначение и факторологическая роль их характеристик. Особое внимание уделено свойствам порохов и РТТ как метательных ВВ, а именно энергетическим и баллистическим свойствам, а также процессу горения, определяющему образование газообразного рабочего тела. Материал пособия иллюстрирован справочными данными, графиками, рисунками и примерами. Показана тесная связь физической химии порохов и РТТ с другими прикладными науками, а также использование их в технике. Настоящее учебное пособие составлено применительно к действу ющим вузовским программам по физико-химическим свойствам по рохов и РТТ, а также по внутренней баллистике ствольных и реактивных систем оружия. УДК 662.2/.3(075.8) ББК 35.51я73 К72 © Косточко А.В., Казбан Б.М., 2013 Рецензенты: Р.Н. Яруллин, д-р техн. наук, заместитель генерального директора ФКП «Казанский государственный казенный пороховой завод»; В.Ф. Харитонов, канд. техн. наук, генеральный директор ФКП «Тамбовский пороховой завод» Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского государственного технологического университета ISBN 978-5-16-020060-6 (print) ISBN 978-5-16-103098-1 (online)
ПРЕДИСЛОВИЕ Пороха и ракетные твердые топлива (РТТ) являются важными объектами современной техники. Сведения о порохах и РТТ изложены, главным образом, в специальной литературе. Источники, доступные широкому кругу читателей, специализированы по отдельным аспектам науки о порохах и РТТ и их практическому применению в технике. Благодаря усилиям НИИ, заводов и вузов многие вопросы теории, производства и использования порохов и РТТ получили в свое время научное объяснение и обоснование. В последние десятилетия были применены новые методы исследования и оценки свойств порохов и РТТ, разработаны новые составы и марки. Труды выдающихся отечественных ученых: Б.П. Жукова, А.С. Бакаева, Н.А. Кривошеева, Ф.И. Дубовицкого, П.Ф. Похила, Г.К. Клименко, С.Н. Данилова, Д.И. Гальперина и др. – внесли значительный вклад в науку о порохах. Работы в области физикохимии компонентов и составов порохов, технологии их изготовления, механизма их горения и воспламенения позволили понять и объяснить многие явления и решить целый ряд проблемных вопросов. Большая заслуга ученых в том, что они сумели в трудных условиях написать и издать важнейшие учебники и учебные пособия (И.В. Тишунин, К.К. Андреев, И.К. Егоров, В.К. Зеленский, А.П. Денисюк, М.А. Фиошина, Л.И. Захаров, М.М. Арш), по которым поколения студентов, аспирантов, научных сотрудников и инженеров изучали пороходелие и свойства порохов и РТТ. В последние годы (1990–2006) в открытой печати также вышли учебные пособия и справочники по порохам, РТТ и ВВ таких известных ученых и организаторов производств в оборонной области как Б.П. Жуков, Л.В. Забелин, Ю.М. Мелехин, Ю.М. Михайлов, Н.Г. Рогов, Г.Г. Валеев, Е.Ф. Жегров и др. Материал данного учебного пособия сопровождается конкретными значениями характеристик рассматриваемых свойств и иллюстрируется рисунками и таблицами. Материал пособия соответствует рабочей программе по дисциплине СДОЗ «Физикохимические свойства взрывчатых веществ, порохов и ракетных твердых топлив». Значения физических постоянных, общая физическая и химиче ская терминология и обозначение величин, используемых в пособии, соответствуют ИЮПАК.
УСЛОВныЕ ОбОзначЕнИя РТТ – ракетные твердые топлива ВВ – взрывчатые вещества РДТТ – ракетный двигатель твердого топлива ДРП – дымный ружейный порох ПРТТ – полимерное ракетное твердое топливо ДНТ – динитротолуол ДБФ – дибутилфталат ПП – пироксилиновый порох БП – баллиститный порох НЦ – нитрат целлюлозы ТНГ – тринитрат глицерина НЦП – нитратцеллюлозный порох СББ – система ближнего боя НГЛ – нитроглицерин (тринитрат глицерина) ДНДЭГ – динитрат диэтиленгликоля НГП – нитроглицериновый порох БРТТ – баллиститное ракетное твердое топливо РД – ракетный двигатель
ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПОРОХАХ И РАКЕТНЫХ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВАХ ВВЕДЕнИЕ Действие большинства современных видов оружия основано на использовании химических источников энергии. К таким источникам относятся химические вещества различной природы, скрытая (химическая) энергия которых может быть высвобождена в результате физикохимических превращений, а затем преобразована тем или иным путем в полезную механическую работу. Химическими источниками энергии, широко применяемыми в военной технике, являются разнообразные по своей природе и свойствам пороха для ствольного оружия, топлива для ракетных двигателей, взрывчатые вещества и пиротехнические смеси. Широкое использование этих веществ в военной технике объясняется тем, что они как источники энергии являются довольно доступными и обладают сравнительно высокой концентрацией энергии. Общность рассматриваемых химических источников энергии состоит в том, что единственным практически осуществимым путем высвобождения заключенной в этих источниках энергии является способ, основанный на организации процессов горения или взрыва. Выделение энергии при горении и взрыве всегда происходит одновременно с образованием «рабочего тела» в виде газообразных (преимущественно) продуктов превращения, являющихся носителями высвободившейся энергии и тем посредником, при помощи которого осуществляется преобразование энергии вещества в работу. В артиллерийской технике в качестве источников энергии движения снарядов, пуль, мин, ракет применяются пороха и ракетные твердые топлива. Некоторые виды порохов используются в артиллерийских боеприпасах в качестве воспламенителей, средств для передачи огня, для замедлителей, дистанционных составов, вышибных зарядов. Пороха и РТТ представляют группу метательных взрывчатых веществ (ВВ). Основным видом взрывчатого превращения порохов и РТТ в орудии при выстреле и в камере сгорания ракетного двигателя (РД) при его работе является горение, не переходящее в детонацию.
Пороха и РТТ сравнительно легко воспламеняются и горят в орудии и в РД закономерно, практически параллельными слоями. Это свойство порохов и РТТ позволяет в широких пределах регулировать процесс газообразования при их горении и тем самым управлять явлением выстрела и работой РД. При практическом использовании к порохам и РТТ предъявляются следующие основные требования: 1) достаточная энергоемкость, определяющая работоспособность продуктов горения, которая обеспечивала бы необходимое метательное действие при приемлемой массе зарядов; 2) определенные пределы чувствительности к тепловым и механическим импульсам внешнего воздействия для обеспечения безотказности воспламенения порохов и РТТ и безопасности обращения с ними; 3) физическая и химическая стабильность – сохранение физикохимических свойств, а следовательно, энергетических и баллистических характеристик порохов и РТТ; 4) достаточная механическая прочность пороховых элементов и твердотопливных зарядов; 5) способность устойчиво и закономерно гореть; 6) однообразие физикохимических и баллистических свойств в большой массе пороховых элементов и топливных зарядов; 7) беспламенность и бездымность при стрельбе; 8) возможно меньшее коррозионное и эрозионное воздействие продуктов горения на канал ствола, на камеру и сопло РД, на горящую шашку заряда РТТ; 9) широкая сырьевая база и экономичность производства порохов, РТТ и зарядов. Стремление специалистов к максимальному удовлетворению предъявляемых практикой требований привело к появлению большого разнообразия порохов и РТТ для различных видов оружия.
1.1. ОСнОВныЕ ПОняТИя, ОПРЕДЕЛЕнИя, КЛаССИФИКаЦИя, ИСТОРИчЕСКИЕ СВЕДЕнИя 1.1.1. ОПРЕДЕЛЕнИЕ ПОРОхОВ И РаКЕТных ТВЕРДых ТОПЛИВ Современные представления о порохах и РТТ, экспериментальные данные о природе и свойствах, а также опыт их практического применения приводят к следующим определениям этих важнейших технических изделий. Физико-химическое определение. Пороха и РТТ – многокомпонентные твердые системы, обладающие различными размерами, формой, структурой. Термодинамическое определение. Пороха и РТТ – это энергообогащенные системы, в которых физикохимические процессы могут протекать самопроизвольно с уменьшением энергии Гиббса ∆J < 0; уменьшением энергии Гельмгольца ∆F < 0; увеличением энтропии ∆S > 0. Таким образом, являясь термодинамически неравновесными системами, пороха и РТТ могут претерпевать в зависимости от мощности начального импульса три основных вида физикохимических превращений: термическое разложение, горение и детонацию. Термическое разложение протекает при довольно низких температурах (иногда при температуре окружающей среды). Указанный процесс, подчиняясь законам химической кинетики, имеет, как правило, две стадии: начальную (описывается уравнением кинетического распада первого или нулевого порядка) и стадию автокаталитического разложения. Активным продуктом при автокаталитическом разложении в порохах (баллиститных и пироксилиновых), а также в ВВ является оксид азота NO; окисляясь, он переходит в NO2; диоксид, в свою очередь, окисляет компоненты пороха с выделением вновь NO и т.д. Понимание механизма термического разложения позволяет при производстве порохов и обращении с ними выработать практические приемы по снижению опасности термического разложения: снизить температуру хранения; уменьшить скорость реакций первичного распада; применять стабилизаторы химической стойкости для связывания продуктов распада и предотвращения автокатализа. Процесс горения характеризуется скоростью послойного горения пороха или РТТ, не превышающей 102 м/с, и реализуется с устойчивостью до определенной величины давления (зависящей от плотности и свойств РТТ). Превышение некоторой величины давления вызы• • •
вает нарушение или срыв послойного горения, которое резко ускоряется и при определенных условиях может перейти в детонацию. Распространение процесса горения по пороху и РТТ обусловлено процессами теплопроводности и диффузии. Б.П. Жуков формулирует механизм горения баллиститных порохов следующим образом. Горению пороха, т.е. окислительновосстановительным реакциям, возникающим под влиянием теплового или иного импульса, предшествует прогрев пороха, разрушение сольватных комплексов (нитраты целлюзы – нитроглицерин – диэтиленгликольдинитрат и др.) и разложение макромолекул нитратов целлюлозы. При температуре примерно 200–220°C глюкозидные кольца и нитрорадикалы плавятся и переходят из твердого в жидкое состояние. Образовавшаяся на поверхности пороха переходная жидковязкая область сочетает в себе жидкие, твердые, газои парообразные продукты, питающие пародымогазовую зону. В пародымогазовой зоне происходит процесс физикохимического превращения реагентов при высокой температуре, при этом горение происходит как в пламени, так и в тонком слое конденсированной фазы. В отличие от термического разложения горение характеризуется меньшей энергией активации Е = 20–50 кДж/моль, тогда как для термического разложения Е = 100–200 кДж/моль. Послойное горение характеризуется стационарным режимом и скоростью горения u = 103–102 м/с. Однако до величины u = 103 м/с можно наблюдать специфические виды горения, такие как конвективное и дефлаграционное; последнее порой относят к низкоскоростной детонации. При скоростях горения выше 103 м/с начинается детонация. Химическое превращение в данном случае распространяется по пороху со скоростью, превышающей скорость звука. Ударная волна, двигаясь по веществу, сжимает и разогревает его до такой степени, что химические реакции протекают за микросекунды. Высокая температура в реакционной зоне обусловливает величину энергии активации, близкую к нулю. Следует отметить, что все виды химического превращения (термическое разложение, горение и детонация) взаимосвязаны. Термораспад может переходить в горение, горение – в детонацию. Горение и детонацию относят к взрывчатым превращениям, характеризующимся теплотой, которая определяется мощностью ВВ. Для современных ВВ теплота взрывчатого превращения может достигать 13 МДж/кг и выше. Принципиальное различие между горением и детонацией заключается в механизме передачи энергии от слоя к слою заряда. При горении это теплопроводность и диффузия, а при детонации – ударная волна. Кроме того, отличаются эти явления и по направлению
истечения продуктов превращения: для горения истечение противоположно перемещению фронта горения; для детонации истечение продуктов превращения с некоторым запаздыванием совпадает с движением детонационного фронта. Пороха и РТТ, согласно военно-техническому определению, составляют группу метательных ВВ, основным видом взрывчатого превращения которых при выстреле из ствольного оружия и при работе ракетного двигателя является горение – процесс физикохимического превращения с умеренной и регулируемой скоростью (в отличие от взрыва и детонации) с образованием газообразных и конденсированных продуктов, сжатых при высокой температуре в малом объеме камеры сгорания до высоких давлений. 1.1.2. ПОРОха И РаКЕТныЕ ТВЕРДыЕ ТОПЛИВа В СИСТЕмЕ ОбщЕй КЛаССИФИКаЦИИ ВзРыВчаТых ВЕщЕСТВ Взрывчатыми веществами снаряжают боеприпасы различных типов: ракеты, снаряды, мины, торпеды, авиационные и глубинные бомбы и др. ВВ являются основным средством, обеспечивающим поражение живой силы, боевой техники и разрушение военных объектов противника. Для доставки боеприпасов до цели используются метательные системы, снаряженные пороховыми зарядами, и ракетные системы с зарядами ракетного твердого топлива. Продукты горения пороха и РТТ сообщают снаряду или ракете скорость, необходимую для их переброски на дальние расстояния или поражения быстродвижущейся цели. Выстрел из артиллерийского орудия с момента удара бойка по капсюльной втулке до разрыва снаряда от действия взрывателя у цели можно представить как связанные друг с другом чередующиеся в определенной последовательности процессы взрыва и горения: от удара бойка взрывается ударный состав из инициирующего ВВ в капсюльной втулке, луч огня от капсюльной втулки передается основному воспламенителю из дымного пороха и зажигает его, продукты горения воспламенителя вызывают горение метательного порохового заряда, сопровождающееся образованием большого количества пороховых газов, которые, расширяясь, приводят в движение снаряд. Снаряд вылетает из ствола орудия и в конце полета поражает цель, разрываясь или пробивая ее. Пороха и твердые топлива используются в противотанковых и зенитных управляемых ракетах, ракетах оперативнотактического назначения, межконтинентальных ракетных комплексах; для осуществления взлета современных истребителей применяются пороховые стартовые ускорители и т.д.
Взрывчатые вещества, пороха и ракетные топлива разнообразны по химическому составу, физическим свойствам и агрегатному состоянию. Известно много ВВ, представляющих собой твердые тела, менее распространены жидкие ВВ. Газообразные ВВ, например смесь метана с воздухом или смесь водорода с кислородом, являются наиболее мощными взрывчатыми смесями. ВВ может быть любая смесь горючего с окислителем, способная к превращению с большим экзотермическим эффектом. Первым известным и почти единственным ВВ на протяжении 500 лет был дымный порох, представляющий собой смесь двух горючих (угля и серы) с окислителем (калиевой селитрой). К взрывчатым химическим соединениям, молекулы которых содержат атомы горючих элементов и кислорода, относятся нитраты целлюлозы [C6H7О2(OH)3-n(ONO2)n]x, азотнокислые эфиры многоатомных спиртов, нитроэфиры и нитросоединения ароматических углеводородов. Наиболее широкое применение нашли следующие соединения: глицеринтринитрат (нитроглицерин) C3H5(ONO2)3; диэтиленгликольдинитрат (ДЭГДН) О(C2H4ONO2)2; нитраты целюлозы (нитроцеллюлоза). Из нитросоединений в первую очередь следует назвать тринитротолуол (тротил, тол) C6H2(NO2)3CH3; тринитрофенол (пикриновая кислота) C6H2(NO2)3OH; динитротолуол (ДНТ) C6H3(NO2)2CH3. Кроме указанных нитросоединений, широко применяются нитрамины: тринитрофенилметилнитрамин (тетрил) C6H2(NO2)3NCH3NO2; циклотриметилентринитроамин (гексоген) (CH2NNO2)3 и циклотетраметилентетранитроамин (октоген) (CH2NNO2)4. У нитроэфиров и нитросоединений все тепло или основная его часть при взрыве и сгорании выделяется в результате окисления горючих элементов кислородом. Из сравнительно новых ВВ интересны нитрофуразаны (3нитро1,2,5оксадиазолы) и нитрофуроксаны. Взрывчатые вещества, относящиеся по своей химической структуре к одному классу соединений, обладают определенными общими свойствами, однако в пределах одного класса химических соединений различия в свойствах ВВ могут быть значительными, поскольку они определяются физическими свойствами и структурой вещества. Поэтому классифицировать ВВ по их принадлежности к определенному классу химических соединений недостаточно для того, чтобы отразить их основные свойства и назначение. Взрывчатые вещества классифицируют прежде всего по назначению. В соответствии с этой классификацией все ВВ делятся на три основные группы: инициирующие; бризантные; метательные. • • •