Vuurpylbrandstof bevat brandstof en oksideermiddel en benodig, anders as vliegtuigbrandstof, nie 'n eksterne komponent nie: lug of water. Vuurpylbrandstowwe word volgens hul samestellingstoestand verdeel in vloeibare, vaste en baster. Vloeibare brandstowwe word verdeel in kriogenies (met die kookpunt van die komponente onder nul grade Celsius) en hoogkokend (die res). Vaste brandstowwe bestaan uit 'n chemiese verbinding, 'n vaste oplossing of 'n geplastiseerde mengsel van komponente. Hibriede brandstowwe bestaan uit komponente in verskillende aggregate, en is tans in die navorsingsfase.
Histories was die eerste vuurpylbrandstof swart poeier, 'n mengsel van soutpeter (oksideermiddel), houtskool (brandstof) en swael (bindmiddel), wat in die 2de eeu nC die eerste keer in Chinese vuurpyle gebruik is. Ammunisie met 'n soliede vuurpylenjin (soliede vuurpylenjin) is in militêre aangeleenthede gebruik as 'n brand- en seinmiddel.
Na die uitvinding van die rooklose poeier aan die einde van die 19de eeu, is 'n enkel-komponent ballistietbrandstof ontwikkel wat bestaan uit 'n vaste oplossing van nitrocellulose (brandstof) in nitrogliserien ('n oksideermiddel). Ballistietbrandstof het 'n veelvoud van hoër energie in vergelyking met swart poeier, het 'n hoë meganiese sterkte, is goed gevorm, behou 'n lang chemiese stabiliteit tydens opberging en het 'n lae kosprys. Hierdie eienskappe bepaal vooraf die wydverspreide gebruik van ballistiese brandstof in die mees massiewe ammunisie toegerus met soliede dryfmiddels - vuurpyle en granate.
Die ontwikkeling in die eerste helfte van die twintigste eeu van wetenskaplike dissiplines soos gasdinamika, verbrandingsfisika en die chemie van hoë-energieverbindings het dit moontlik gemaak om die samestelling van vuurpylbrandstowwe uit te brei deur die gebruik van vloeibare komponente. Die eerste gevegsmissiel met 'n vuurpyl -enjin (LPRE) "V -2" het 'n kriogeniese oksideermiddel gebruik - vloeibare suurstof en 'n hoogkokende brandstof - etielalkohol.
Na die Tweede Wêreldoorlog het vuurpylwapens 'n prioriteit in ontwikkeling gekry bo ander soorte wapens vanweë hul vermoë om kernlading op enige afstand na 'n teiken te lewer - van etlike kilometers (vuurpylstelsels) tot interkontinentale reikafstand (ballistiese missiele). Daarbenewens het vuurpylwapens artilleriewapens in lugvaart, lugverdediging, grondmagte en die vloot aansienlik verdring as gevolg van die gebrek aan terugslagkrag wanneer ammunisie met vuurpylmotors gelanseer word.
Gelyktydig met ballistiese en vloeibare vuurpylbrandstof, het multikomponente gemengde vaste dryfmiddels ontwikkel as die mees geskikte vir militêre gebruik vanweë hul wye temperatuurbereik, die uitskakeling van die gevaar van komponentstorting, laer koste van vuurpyl-enjins as gevolg van die afwesigheid van pypleidings, kleppe en pompe met 'n hoër stootkrag per gewigseenheid.
Die belangrikste kenmerke van vuurpylbrandstowwe
Benewens die toestand van samevoeging van sy komponente, word vuurpylbrandstowwe gekenmerk deur die volgende aanwysers:
- spesifieke dryfkrag;
- termiese stabiliteit;
- chemiese stabiliteit;
- biologiese toksisiteit;
- digtheid;
- rokerigheid.
Die spesifieke stootimpuls van vuurpylbrandstowwe hang af van die druk en temperatuur in die verbrandingskamer van die enjin, sowel as die molekulêre samestelling van die verbrandingsprodukte. Boonop hang die spesifieke impuls af van die uitbreidingsverhouding van die enjinkop, maar dit hou meer verband met die eksterne omgewing van vuurpyltegnologie (lugatmosfeer of die buitenste ruimte).
Verhoogde druk word verkry deur die gebruik van strukturele materiale met 'n hoë sterkte (staallegerings vir vuurpyl -enjins en organoplastika vir vaste dryfmiddels). In hierdie aspek is vuurpyl-enjins met vloeibare dryfmiddel die vaste dryfmiddels voor as gevolg van die kompaktheid van hul aandrywingseenheid in vergelyking met die bak van 'n motor met vaste brandstof, wat een groot verbrandingskamer is.
Die hoë temperatuur van die verbrandingsprodukte word bereik deur metaalaluminium of 'n chemiese verbinding - aluminiumhidried, by die vaste brandstof te voeg. Vloeibare brandstowwe kan sulke bymiddels slegs gebruik as dit verdik is met spesiale bymiddels. Termiese beskerming van vuurpyl-enjins word voorsien deur afkoeling met brandstof, termiese beskerming van vaste dryfmiddels-deur die brandstofblok stewig aan die wande van die enjin vas te maak en die gebruik van uitbrandingsinsetsels van koolstof-koolstof saamgestelde in die kritieke gedeelte van die spuitstuk.
Die molekulêre samestelling van die verbrandings- / ontbindingsprodukte van die brandstof beïnvloed die vloeitempo en hul aggregatietoestand by die mondstukuitgang. Hoe laer die gewig van die molekules, hoe hoër is die vloeitempo: die verbrandingsprodukte wat die meeste verkies word, is watermolekules, gevolg deur stikstof, koolstofdioksied, chlooroksiede en ander halogene; alumina, wat die minste verkies word, kondenseer tot 'n vaste stof in die enjin van die enjin, en verminder sodoende die volume van uitbreidende gasse. Boonop dwing die fraksie van aluminiumoksied die gebruik van koniese spuitpunte as gevolg van die skuur van die doeltreffendste paraboliese Laval -spuitpunte.
Vir militêre vuurpylbrandstowwe is hul termiese stabiliteit veral belangrik vanweë die wye temperatuurreeks van vuurpyltegnologie. Daarom is kryogene vloeibare brandstof (suurstof + keroseen en suurstof + waterstof) slegs gebruik in die beginfase van die ontwikkeling van interkontinentale ballistiese missiele (R-7 en Titan), sowel as vir lanseervoertuie van herbruikbare ruimtetuie (Space Shuttle en Energia) bedoel om satelliete en ruimtewapens in 'n lae-aarde wentelbaan te lanseer.
Tans gebruik die weermag uitsluitlik hoë kook vloeibare brandstof gebaseer op stikstoftetroksied (AT, oksideermiddel) en asimmetriese dimetielhidrasien (UDMH, brandstof). Die termiese stabiliteit van hierdie brandstofpaar word bepaal deur die kookpunt van AT (+ 21 ° C), wat die gebruik van hierdie brandstof deur missiele onder termostaat in ICBM- en SLBM -raketsilo's beperk. As gevolg van die aggressiwiteit van die komponente, was / is die tegnologie vir die vervaardiging en bedryf van raket tenks slegs in een land ter wêreld besit - die USSR / RF (ICBM's "Voevoda" en "Sarmat", SLBM's "Sineva" en " Voering "). As 'n uitsondering word AT + NDMG gebruik as brandstof vir die kruisraketten Kh-22 Tempest-vliegtuie, maar as gevolg van probleme met die grondbedryf word beplan dat die Kh-22 en hul volgende generasie Kh-32 vervang sal word deur straal aangedrewe Zirkoonvliegtuigmissiele wat keroseen as brandstof gebruik.
Die termiese stabiliteit van vaste brandstof word hoofsaaklik bepaal deur die ooreenstemmende eienskappe van die oplosmiddel en polimeerbindmiddel. In die samestelling van ballistietbrandstowwe is die oplosmiddel nitroglycerien, wat in 'n vaste oplossing met nitrocellulose 'n temperatuurbereik van minus tot plus 50 ° C het. In gemengde brandstowwe word verskillende sintetiese rubbers met dieselfde bedryfstemperatuurbereik as polimeerbindmiddel gebruik. Die termiese stabiliteit van die hoofkomponente van vaste brandstowwe (ammonium dinitramied + 97 ° C, aluminiumhidried + 105 ° C, nitrocellulose + 160 ° C, ammoniumperchloraat en HMX + 200 ° C) is egter aansienlik groter as die soortgelyke eienskap van bekende bindmiddels, en daarom is dit relevant om na hul nuwe komposisies te soek.
Die mees chemies stabiele brandstofpaar is AT + UDMG, aangesien 'n unieke huishoudelike tegnologie vir ampulêre berging in aluminiumtenks onder 'n geringe oormatige stikstofdruk vir byna onbeperkte tyd daarvoor ontwikkel is. Alle vaste brandstowwe word mettertyd chemies afgebreek as gevolg van die spontane ontbinding van polimere en hul tegnologiese oplosmiddels, waarna oligomere chemiese reaksies ondergaan met ander, meer stabiele brandstofkomponente. Daarom moet soliede dryfkontrolers gereeld vervang word.
Die biologies giftige komponent van vuurpylbrandstowwe is UDMH, wat die sentrale senuweestelsel, die slymvliese van die oë en die menslike spysverteringskanaal aantas en kanker veroorsaak. In hierdie verband word met UDMH gewerk in die isolering van chemiese beskermingspakke met die gebruik van asemhalingsapparaat.
Die waarde van die brandstofdigtheid beïnvloed die massa van die LPRE -brandstoftenks en die vaste vuurpylliggaam direk: hoe hoër die digtheid, hoe minder die parasitiese massa van die vuurpyl. Die laagste digtheid van die waterstof + suurstof brandstofpaar is 0,34 g / cu. cm, het 'n paar kerosine + suurstof 'n digtheid van 1,09 g / cu. cm, AT + NDMG - 1, 19 g / cu. cm, nitrocellulose + nitrogliserien - 1,62 g / cu. cm, aluminium / aluminiumhidried + perchloraat / ammonium dinitramied - 1,7 g / cc, HMX + ammonium perchloraat - 1,9 g / cc. In hierdie geval moet in gedagte gehou word dat die soliede vuurpyl-enjin van aksiale verbranding, die digtheid van die brandstoflading ongeveer twee keer minder is as die digtheid van die brandstof as gevolg van die stervormige gedeelte van die verbrandingskanaal, wat gebruik word om 'n konstante druk in die verbrandingskamer te handhaaf, ongeag die mate van brandstofuitbranding. Dieselfde geld ballistiese brandstowwe, wat gevorm word as 'n stel gordels of stokke om die brandtyd en versnellingsafstand van vuurpyle en vuurpyle te verkort. In teenstelling met hulle, val die digtheid van die brandstoflading in vuurpyl -enjins met vaste dryfveer op grond van HMX saam met die maksimum digtheid wat daarvoor aangedui word.
Die laaste van die belangrikste kenmerke van vuurpylbrandstowwe is die rook van verbrandingsprodukte, wat die vlug van vuurpyle en vuurpyle visueel ontmasker. Hierdie kenmerk is inherent aan vaste brandstowwe wat aluminium bevat, waarvan die oksiede tydens die uitbreiding van die vuurpylmotor in 'n vaste toestand gekondenseer word. Daarom word hierdie brandstowwe gebruik in soliede dryfmiddels van ballistiese missiele, waarvan die aktiewe deel van die baan buite die vyand se siglyn is. Vliegtuig missiele word aangevuur met HMX en ammonium perchloraat brandstof, vuurpyle, granate en tenk tenk missiele - met ballistiese brandstof.
Energie van vuurpylbrandstowwe
Om die energievermoëns van verskillende soorte vuurpylbrandstowwe te vergelyk, moet vergelykbare verbrandingstoestande daarvoor gestel word in die vorm van druk in die verbrandingskamer en die uitbreidingsverhouding van die vuurpylmotor -spuitstuk - byvoorbeeld 150 atmosfeer en 300 -voudig uitbreiding. Dan, vir brandstofpare / drielinge, is die spesifieke impuls:
suurstof + waterstof - 4,4 km / s;
suurstof + petroleum - 3,4 km / s;
AT + NDMG - 3,3 km / s;
ammonium dinitramied + waterstofhidried + HMX - 3,2 km / s;
ammoniumperchloraat + aluminium + HMX - 3,1 km / s;
ammoniumperchloraat + HMX - 2,9 km / s;
nitrocellulose + nitrogliserien - 2,5 km / s.
Vaste brandstof wat op ammoniumdinitramied gebaseer is, is 'n huishoudelike ontwikkeling van die laat 1980's, dit is as brandstof gebruik vir die tweede en derde fase van RT-23 UTTKh- en R-39-missiele en is nog nie deur die beste monsters oorskry nie. van buitelandse brandstof wat op ammoniumperchloraat gebaseer is, gebruik in die Minuteman-3 en Trident-2 missiele. Ammonium dinitramied is 'n plofstof wat selfs van ligstraling ontplof; daarom word die produksie daarvan uitgevoer in kamers wat verlig word deur rooi lampe met 'n lae krag. Tegnologiese probleme het dit nie moontlik gemaak om die vervaardigingsproses van vuurpylbrandstof op enige plek ter wêreld te bemeester nie, behalwe in die USSR. 'N Ander ding is dat die Sowjet -tegnologie gereeld slegs in die chemiese fabriek in Pavlograd, in die Dnepropetrovsk -gebied van die Oekraïense SSR, geïmplementeer is en in die negentigerjare verlore gegaan het nadat die fabriek omgeskakel is om huishoudelike chemikalieë te vervaardig. Te oordeel na die taktiese en tegniese eienskappe van belowende wapens van die RS-26 "Rubezh" -tipe, is die tegnologie egter in die 2010's in Rusland herstel.
'N Voorbeeld van 'n hoogs effektiewe samestelling is die samestelling van vaste vuurpylbrandstof uit Russiese patent nr. 2241693, wat besit word deur die Federal State Unitary Enterprise Perm Plant. CM. Kirov :
oksideermiddel - ammonium dinitramied, 58%;
brandstof - aluminiumhidried, 27%;
weekmaker - nitroisobutyltrinitrateglycerine, 11, 25%;
bindmiddel - polybutadieen nitril rubber, 2, 25%;
verharder - swael, 1,49%;
verbrandingstabilisator - ultrafine aluminium, 0,01%;
bymiddels - rooi, lesitien, ens.
Vooruitsigte vir die ontwikkeling van vuurpylbrandstowwe
Die belangrikste rigtings vir die ontwikkeling van vloeibare vuurpylbrandstowwe is (in die volgorde van prioriteit van implementering):
- die gebruik van onderverkoelde suurstof om die digtheid van die oksideermiddel te verhoog;
- oorgang na 'n brandstofdamp suurstof + metaan, waarvan die brandbare komponent 15% hoër energie en 6 keer beter hittevermoë het as petroleum, met inagneming van die feit dat aluminiumtenks verhard word by die temperatuur van vloeibare metaan;
- toevoeging van osoon by die suurstofsamestelling teen 'n vlak van 24% om die kookpunt en energie van die oksideermiddel te verhoog ('n groot deel van die osoon is plofbaar);
- die gebruik van tiksotropiese (verdikte) brandstof, waarvan die komponente suspensies van pentaboraan, pentafluoried, metale of hul hidriede bevat.
Supergekoelde suurstof word reeds in die Falcon 9-lanseervoertuig gebruik; raketmotors met suurstof + metaan word in Rusland en die Verenigde State ontwikkel.
Die belangrikste rigting in die ontwikkeling van vaste vuurpylbrandstowwe is die oorgang na aktiewe binders wat suurstof in hul molekules bevat, wat die oksidasiebalans van vaste dryfmiddels as geheel verbeter. 'N Moderne huishoudelike monster van so 'n bindmiddel is die polimeer-samestelling "Nika-M", wat sikliese groepe dinitrildioksied en butyleendiolpolietetheretaan bevat, ontwikkel deur die Staatsnavorsingsinstituut "Kristall" (Dzerzhinsk).
'N Ander belowende rigting is die uitbreiding van die reeks gebruikte nitramienplofstof, wat 'n hoër suurstofbalans het in vergelyking met HMX (minus 22%). Eerstens is dit hexanitrohexaazaisowurtzitane (Cl-20, suurstofbalans minus 10%) en octanitrocubane (nul suurstofbalans), waarvan die vooruitsigte afhang van die vermindering van die produksiekoste-tans is Cl-20 'n omvanggrootte duurder as HMX, is oktonitrokubaan 'n omvanggrootte duurder as Cl -twintig.
Benewens die verbetering van die bekende tipes komponente, word ook navorsing gedoen oor die skepping van polimeerverbindings, waarvan die molekules uitsluitlik bestaan uit stikstofatome wat met enkelbindings verbind is. As gevolg van die ontbinding van 'n polimeerverbinding onder verhitting, vorm stikstof eenvoudige molekules van twee atome wat deur 'n drievoudige binding verbind is. Die energie wat in hierdie geval vrygestel word, is twee keer die energie van nitramienplofstof. Vir die eerste keer is stikstofverbindings met 'n diamantagtige kristalrooster in 2009 deur Russiese en Duitse wetenskaplikes verkry tydens eksperimente op 'n gesamentlike proefaanleg onder die druk van 1 miljoen atmosfeer en 'n temperatuur van 1725 ° C. Tans word gewerk om die metastabiele toestand van stikstofpolimere by gewone druk en temperatuur te bereik.
Hoër stikstofoksiede is belowende suurstofbevattende chemiese verbindings. Die bekende stikstofoksied V ('n plat molekuul waarvan twee stikstofatome en vyf suurstofatome bestaan) is vanweë die lae smeltpunt (32 ° C) van geen praktiese waarde nie. Ondersoeke in hierdie rigting word uitgevoer deur te soek na 'n metode vir die sintese van stikstofoksied VI (tetra-stikstofheksaoksied), waarvan die raammolekule die vorm van 'n tetraëder het, op die hoekpunte waarvan daar vier stikstofatome gebind is ses suurstofatome aan die kante van die tetraëder. Die volledige sluiting van interatomiese bindings in die stikstofoksied VI -molekule maak dit moontlik om 'n verhoogde termiese stabiliteit te voorspel, soortgelyk aan dié van urotropien. Die suurstofbalans van stikstofoksied VI (plus 63%) maak dit moontlik om die spesifieke swaartekrag van hoë-energie-komponente soos metale, metaalhidriede, nitramiene en koolwaterstofpolimere in die vaste vuurpylbrandstof aansienlik te verhoog.
