книги / Физико-химические свойства взрывчатых веществ, порохов и твердых ракетных топлив

2. Вычислить скорость потока продуктов за детонационной волной, если скорость детонации газообразной смеси D = 2800 м/с, давление в детонационной волне р = 22 кг/см2 и ρо = 0,91·10-3 г/см2. Начальным давлением пренебречь.

Ответ: u = 873 м/с.

3.Вычислить скорость потока продуктов детонации за волной для стехиометрической смеси закиси азота и сероуглерода, если ре-

акция в волне ведет к образованию N2, CO и SO2. Смесь до взрыва находилась при нормальных условиях. Теплота образования N2O Qp

=–18,7 ккал/моль, адляCS2 – Qp = –29,4 ккал/мольиk = 1,247. Ответ: u = 1014 м/с.

4.Для условий предыдущей задачи вычислить, во сколько раз увеличится плотность в детонационной волне по сравнению с первоначальной плотностью.

Ответ: В 1,73 раза.

5.Вычислить температуру продуктов в детонационной волне, если температура взрыва Tв = 4 275 К. Ответ: T = 4 591 К.

6.Вычислитьудельныйобъемпродуктовдетонациизакисиазота, еслидовзрываонанаходиласьпринормальныхусловияхиk = 1,17.

Ответ: V = 0,398 л/г.

7.Вычислить детонационное давление для нитроглицери-

на, если его плотность ρ0= 1,6 г/см3. Ответ: р= 300 000 кг/см2.

8.Вычислить скорость детонации тэна при плотности заряда 1,69 г/см3, если детонационное давление р = 300 000 кг/см2.

Ответ: D = 8 340 м/сек.

9.Вычислить скорость продуктов детонации пикриновой

кислоты, если скорость детонации ее D = 7 243 м/сек. Ответ: u = 1800 м/с.

211

ГЛАВА 4. ВЗАИМОСВЯЗЬ ХАРАКТЕРИСТИК ЭКС С ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ЗАРЯДОВ ДЛЯ СТВОЛЬНЫХ И РАКЕТНЫХ СИСТЕМ

4.1. Баллистическая эффективность порохов

Для расчетов предельно возможной скорости метания снаряда, коэффициента полезного действия заряда при выстреле и других критериев оценки орудия в качестве фундаментальной характеристики пороха применяется потенциал пороха или связанная с ним сила пороха.

Потенциал пороха – предельно возможная работа одного килограмма пороха, которую могли бы совершить газы, охлаждаясь от температуры горения (взрывчатого превращения) Т1 до абсолютного нуля. Физический смысл понятия потенциала пороха ясен из уравнения баланса энергии при выстреле для одного килограмма пороха

	mV 2		f			T
ϕ		=		1	−		.	(34)
	2					T
			θ
						1

Левая часть этого уравнения выражает сумму внешних работ, совершаемых пороховыми газами, m – масса снаряда, кг; V – дульная скорость, м/сек; φ – коэффициент, учитывающий второстепенные работы. Правая часть уравнения учитывает изменение теплового соотношения газов в результате их адиабатического расширения от температуры Т1 до Т. θ = k – 1, где

	k =	cp	– показатель адиабаты; f – сила (работоспособность)
		c
		V

пороха. При допущении, что газы могут охладиться до Т = 0 К, получается максимально возможное расчетное значение скорости снаряда. В этом случае данное уравнение примет вид известного выражения для потенциала пороха:

212

П = θf = RTθ1 ,

где R – газовая постоянная.

Работоспособность пороха можно увеличить, либо увели-

	чивая		силу	пороха f	=	paW1	T , либо уменьшая	величину
						273
		cp					1
	θ =		−1.	Увеличить	силу пороха можно, либо			увеличив
		c
		V

удельный объем пороховых газов W1, либо повысив температуру горения Т1. Величина θ зависит от состава пороховых газов, она убывает с увеличением их температуры. Следовательно, порох с более высокой температурой Т1 будет обладать большей работоспособностью не только в результате увеличения величины f, но и в результате уменьшения θ. Но с повышением температуры продуктов горения увеличивается разгарно-эрозионное действие на канал ствола, снижая его живучесть.

При выстреле температура убывает от Т1 до Тд , поэтому θ принимают равной среднему значению в данном интервале температур. Среднее значение определяют по формуле

		Т				2,303(A	− A ) lg	A2 + BT1
			д
1				dT		1	2	A2	+ B1Tд
											.
θ = Тд −Т1		∫ A + B1T =				B1(T1 −Tд)
		T1

У разных авторов можно встретить более сложные (чем линейные) зависимости θ от T. Для большинства ствольных систем Tд/T1 ~ 0,7, в этом случае θ= 0,2. При решении большинства задач внутренней баллистики величину θ принимают равной 0,2 для пироксилинового пороха, 0,13–0,16 – для нитроглицеринового, причем, чембольшевсоставепорохаНГ, темменьше θ.

В табл. 27 представлены характерные значения потенциала для различных типов порохов

213

				Таблица 27
Энергетические характеристики порохов
		Сила пороха,		Потенциал
Порох	Т1, К			пороха,10-6,
		f, кДж/кг		Дж/кг
Дымный	2170…2670	280…350		–
Пироксилиновый	2700…2900	770…1050		3,7…4,3
Пироксилиновый
с энергетич. до-	3000…3300	1000…1120		4,4…5,0
бавкой
Баллиститный	3200…3500	1000…1250		6,0…8,0

Из выражения (34) видно, что начальную скорость снаряда (пули) определяет сила пороха, которую считают основным баллистическим критерием артиллерийских и стрелковых порохов.

Рассмотрим выражение для дульной скорости

V0 =	2 fω ,
	ϕθq

где f – сила пороха, ω – вec заряда, φ – коэффициент, учитывающий вторичные работы, q – вec снаряда.

Влияние силы пороха на дульную скорость снаряда типовой артиллерийской системы иллюстрирует рис. 13.

Рис. 13. Влияние силы пороха f на дульную скорость снаряда

214

При f = 1 200 кДж/кг и постоянстве прочих факторов начальная скорость снаряда может 6ьпь доведена до 1 800 м/с. Для повышения дульной скорости от 1 800 до 2 000 м/с сила пороха должна быть увеличена с 1 200 до 2 400 кДж/кг. Для этого необходимо создать новые сверхмощные ВВ, разработать наукоемкие технологии и выполнить комплекс трудоемких работ, а в итоге иметь весьма ограниченный интегральный результат для повышения дульной скорости снаряда (пули).

Для фундаментального повышения эффективности снаряда (его скорости, вероятности поражения цели, дальности полета, бронепробиваемости) необходимо повысить начальную дульную скорость полета до 3 км/с и выше. Классический артиллерийский выстрел должен быть заменен или радикально дополнен новыми физическими методами. Таким весьма перспективным и эффективным методом является принцип электродинамического ускорения полета снаряда (рис. 14).

Рис. 14. Электродинамический рельсовый ускоритель

Ускоряющая сила F ≈ IdB = A·I2/2, давление плазменного поршня на метаемое тело P = A·I2/2S, скорость метаемого тела

V = I Al / m , I – ток в направляющих, B – индукция магнитного поля, А – коэффициент формы ускорителя, S – прощадь поперечного сечения метаемого тела, m – масса метаемого тела, l – длина ускорителя, d – расстояние между направляющими.

215

Основным энергетическим параметром при ЭДМ (электродинамическом метании) является сила тока, определяющая при постоянстве прочих параметров (масса снаряда, длина ускорителя и пр.) силу, давление и, интегрально, скорость метаемого тела. Оптимальным источником электрической энергии может служить твердотопливный магнитный гидродинамический генератор (МГДГ). Схема ТТ МГДГ, где происходит прямое преобразование энергии горящего плазменного пороха в электрическую энергию, показана на рис. 15.

Рис. 15. Принципиальная схема МГД – генератора

В состав МГД-генератора входят генератор плазмы – 1, заряд плазменного пороха – 2, МГД-канал – 3, коммутатор – 5, нагрузка – 6 и магнитная система – 7. Поток плазмы обозначен

цифрой 4. Генерируемая мощность N ≈ K(1− K)GW 2 B2Vk , где

k – коэффициент нагрузки, B – индукция магнитного поля, V – рабочий объем канала, G, W – электропроводность и скорость продуктов сгорания.

216

В импульсных МГД-генераторах в качестве источника рабочего тела находят широкое применение плазменные пороха – баллиститные пороха, в процессе горения которых образуется низкотемпературная плазма с электропроводностью σ до 167 См/м и электрофизическим комплексом σW2 до 438 См/м· (км/с)2. Электропроводность плазмы обеспечивается высокой

температурой горения	пороха (свыше 3 800 К) и наличием
в продуктах сгорания	легкоионизирующихся элементов, пре-

имущественно калия и цезия, вводимых в состав пороха в виде азотнокислых солей. В качестве высокоэнергетического компонента, обеспечивающего высокую температуру горения пороха, используются порошки алюминиево-магниевого сплава, содержащего в сплаве до 90–95% металлического алюминия. Непрерывная технология баллиститных порохов позволяет изготавливать заряды из плазменного пороха от нескольких граммов до нескольких тонн для различных классов импульсных МГДгенераторов. Химический состав и основные электрофизические характеристики плазменных порохов приведены в табл. 28.

Таблица 28

Химический состав и основные термодинамические и электрофизические свойства некоторых плазменных топлив

Наименование компонентов	БП-10	БП-11	СП-11	СПК-5Ф
Химический состав, %
Коллоксилин «Н»	35,0	9,0	33,2	30,4
Пироксилин № 1		27,6
Нитроглицерин	31,0	29,6	31,8	30,5
Цезий азотнокислый	10,0		11,0
Калий азотнокислый				10,0
Гексанитрокобальтат цезия		11,0
Порошокалюминиево-	22,0	20,0	22,0
магниевогосплава, АМД-10
Технологические добавки	2,0	2,8	2,0	2,1
Термодинамические и	электрофизические характеристики
Температура горения, Тг, К	3 722	3 714	3 745	3 863
				217

Наименование компонентов Электропроводностьпрод. гор.

вгенератореплазмы, σг, См/м Электропроводностьпрод. гор.

вканалеМГДГ, σкан, См/м Электрофизический ком-

плекс, σW2, См/м·(км/с)2

Окочание табл. 28

БП-10 БП-11 СП-11 СПК-5Ф

121,1	112,0	133,2	98,7
59,3
	48,7	69,1	69,1
252,7
	216,0	294,0	293,0

Основным показателем плазменного пороха является произведение из электропроводности продуктов сгорания пороха σ и скоростиихтеченияW. Нарис. 16. показаназависимостьпроизведенияσW2 и температуры горения Тг от химического состава плазменного пороханабаллиститнойоснове(нитроглицерининитратыцеллюлозы).

Анализ графика показывает, что максимальное значение σW2 = 390 и температура горения Тг ~ 3 800 К могут быть достигнуты при различных соотношениях компонентов рассматриваемой композиции баллиститного пороха. Интегральное решение по пороховым зарядам генератора плазмы принимается по совокупности термодинамических, технологических, и физикомеханических и химических свойств композиции.

Рис. 16. Зависимость σW2 и температуры горения Тг от химического состава плазменного пороха на баллиститной основе

218

Высокая скорость снаряда при ЭДМ (от 3 км/с и выше) позволяет радикально поднять дальность и вероятность поражения высокоточных целей, а также поражения весьма защищенных бронеобъектов, поскольку металл 6рони при встрече со снарядом, летящим со скоростью более 2,5 км/с, переходит

вквазижидкое состояние.

4.2.Баллистическая эффективность ракетных топлив

4.2.1. Понятие баллистической эффективности ракетных топлив, её критерии и показатели

Эффективность технической системы (в том числе ракетной) – наиболее общее интегральное свойство, определяющее степень пригодности ее для использования по назначению и характеризующее соответствие достигнутого в процессе применения результата ожидаемому, требуемому.

Ракетное топливо является в ракетном комплексе источником энергии и рабочего тела ракетного двигателя и должно обеспечивать требуемый уровень летно-технических характеристик ракеты и, соответственно, эффективность ее боевого применения.

Эффективность ракетного топлива определяется всей совокупностью его свойств в условиях применения ракеты.

В практике оценки эффективности ракетного топлива ши-

роко используют термин баллистическая эффективность (БЭ).

Сущность этого понятия вытекает из следующих соображений. В общем комплексе летно-технических характеристик ракеты, определяющих эффективность ее боевого применения, выделяют группу характеристик, непосредственно влияющих на динамику полета ракеты: диапазон дальности полета (Lmax и Lmin) или соответствующую скорость полета в конце активного участка траектории, запас характеристической скорости, относительную массу полезной нагрузки, размеры зоны разведения боевых блоков. Эти характеристики ракеты принято называть баллистическими.

219

Наибольшее влияние на внутрибаллистические и энергомассовые характеристики двигателя и, как следствие, на баллистические характеристики ракеты оказывают энергетические, баллистические и физико-механические характеристики твердого ракетного топлива.

Удельный импульс и плотность топлива в соответствии с формулой Циолковского непосредственно влияют на скорость ракеты в конце активного участка траектории и, соответственно, на дальность полета, а также на массовые характеристики. Существенное влияние на баллистические характеристики ракеты оказывают скорость горения топлива и ее чувствительность к давлению в камере двигателя и начальной температуре заряда.

На массу топливного заряда, прочноскрепленного с корпусом, а также на коэффициент массового совершенства РДТТ значительное влияние оказывают механические характеристики ТРТ. Оценочные расчеты показывают, что в отдельных случаях снижение относительной деформации топлива по абсолютной величине на 10 % приводит к уменьшению массы заряда на 4...5 %. Это, в свою очередь, снижает дальность полета или массу полезной нагрузки ракеты.

Влияние других характеристик топлива на характеристики ракеты менее существенно.

В.И. Цуцуран [4] предлагает под баллистической эффективностью ТРТ понимать обобщенное свойство топлива, обусловленное преимущественно совокупностью баллистических, энергомассовых и механических характеристик и определяющее его возможность обеспечить требуемый уровень соответствующих характеристик РДТТ, баллистических характеристик ракеты и, как следствие, эффективность ее боевого применения.

В общем случае под показателем эффективности понимают меру достижения цели операции. Следовательно, показатель баллистической эффективности ракетного топлива – мера степени соответствия уровня реальных характеристик топлива (баллистических, энергомассовых, механических) требуемому уровню в соответствии с назначением и условиями боевого применения ракеты.

220