Зымырандық отын құрамында отын мен тотықтырғыш бар және реактивті отыннан айырмашылығы сыртқы компонентті қажет етпейді: ауа немесе су. Зымыран отындары агрегаттық күйіне сәйкес сұйық, қатты және гибридті болып бөлінеді. Сұйық отындар криогенді (компоненттердің қайнау температурасы Цельсий бойынша нөлден төмен) және жоғары қайнайтын (қалғандары) болып бөлінеді. Қатты отындар химиялық қосылыстардан, қатты ерітіндіден немесе компоненттердің пластифицирленген қоспасынан тұрады. Гибридті отындар әртүрлі агрегаттық күйдегі компоненттерден тұрады және қазіргі уақытта зерттеу сатысында.
Тарихқа жүгінсек, алғашқы зымыран отыны қара ұнтақ, селитра (тотықтырғыш), көмір (отын) мен күкірт (байланыстырғыш) қоспасы болды, ол біздің заманымыздың ІІ ғасырында алғаш рет Қытай зымырандарында қолданылды. Қатты отындық зымыран қозғалтқышы бар оқ -дәрілер (қатты отынды зымыран қозғалтқышы) әскери істерде өрт сөндіру және сигнал беру құралы ретінде қолданылды.
19 ғасырдың аяғында түтінсіз ұнтақ ойлап табылғаннан кейін оның негізінде нитроглицериндегі (тотықтырғыш агент) нитроцеллюлозаның (отынның) қатты ерітіндісінен тұратын бір компонентті баллистит отыны жасалды. Балистит отыны қара ұнтақпен салыстырғанда бірнеше есе жоғары энергияға ие, жоғары механикалық беріктігі бар, жақсы қалыптасқан, сақтау кезінде химиялық тұрақтылығын ұзақ сақтайды және өзіндік құны төмен. Бұл қасиеттер қатты отынмен - ракеталар мен гранаталармен жабдықталған ең ірі оқ -дәрілерде баллистикалық отынның кеңінен қолданылуын алдын ала анықтады.
ХХ ғасырдың бірінші жартысында газ динамикасы, жану физикасы және жоғары энергиялы қосылыстар химиясы сияқты ғылыми пәндердің дамуы сұйық компоненттерді қолдану арқылы зымыран отынының құрамын кеңейтуге мүмкіндік берді. Сұйық отынды зымыран қозғалтқышы (LPRE) «V -2» бар бірінші жауынгерлік зымыранда криогенді тотықтырғыш - сұйық оттегі мен жоғары қайнайтын отын - этил спирті қолданылды.
Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін ракеталық қару басқа ядролық зарядтарға кез келген қашықтықта - бірнеше шақырымнан (зымырандық жүйелерден) құрлықаралық қашықтыққа (баллистикалық зымырандарға) жеткізуге қабілеттілігіне байланысты басқа қару түрлеріне қарағанда басымдыққа ие болды. Сонымен қатар, зымырандық қару -жарақ зымыран қозғалтқыштары бар оқ -дәрілерді ұшыру кезінде кері қайтару күшінің болмауына байланысты авиацияда, әуе қорғанысында, құрлықта және флотта артиллериялық қаруды айтарлықтай ығыстырды.
Баллистикалық және сұйық зымыран отынымен бір мезгілде көп температуралы жұмыс диапазонына, компоненттердің төгілу қаупін жоюға, қатты отынды зымыран қозғалтқыштарының төмен болуына байланысты әскери қолдануға ең қолайлы болып табылатын көп компонентті аралас қатты отындар шығарылды. салмақ бірлігіне жоғары тартылатын құбырлар, клапандар мен сорғылар.
Зымыран отынының негізгі сипаттамалары
Зымыран отындары оның компоненттерінің агрегаттық күйінен басқа келесі көрсеткіштермен сипатталады:
- арнайы серпіндік импульс;
- жылу тұрақтылығы;
- химиялық тұрақтылық;
- биологиялық уыттылық;
- тығыздық;
- түтін.
Зымыран отынының арнайы импульсы қозғалтқыштың жану камерасындағы қысым мен температураға, сондай -ақ жану өнімдерінің молекулалық құрамына байланысты. Сонымен қатар, нақты импульс қозғалтқыш шүмегінің кеңею коэффициентіне байланысты, бірақ бұл зымыран техникасының сыртқы ортасына (ауа атмосферасы немесе ғарыш кеңістігі) көбірек байланысты.
Қысымның жоғарылауы беріктігі жоғары конструкциялық материалдарды қолдану арқылы қамтамасыз етіледі (зымыран қозғалтқыштары үшін болат қорытпалары және қатты отын үшін органопластиктер). Бұл тұрғыда сұйық отынды зымыран қозғалтқыштары қатты отынмен жұмыс жасайтын қозғалтқыш қондырғысының тығыздығына байланысты қатты жанармай қондырғыларынан алда келеді, бұл бір үлкен жану камерасы.
Жану өнімдерінің жоғары температурасына қатты отынға металл алюминий немесе химиялық қосылыс - алюминий гидридін қосу арқылы қол жеткізіледі. Сұйық отындар мұндай қоспаларды арнайы қоспалармен қоюландырылған жағдайда ғана қолдана алады. Сұйық отынды зымыран қозғалтқыштарының термиялық қорғанысы отынмен салқындату, қатты отынның термиялық қорғанысы-қозғалтқыш қабырғаларына жанармай блогын мықтап бекіту және көміртекті көміртекті композиттен жасалған күйдірілген кірістіруді қолдану арқылы қамтамасыз етіледі. саптаманың бөлімі.
Жанармайдың жану / ыдырау өнімдерінің молекулалық құрамы ағынның жылдамдығына және олардың саптамадан шығу кезіндегі агрегация күйіне әсер етеді. Молекулалардың салмағы неғұрлым төмен болса, ағынның жылдамдығы соғұрлым жоғары болады: жану өнімдерінің басым бөлігі - су молекулалары, одан кейін азот, көмірқышқыл газы, хлор оксидтері және басқа галогендер; қозғалтқыш шүмегіндегі қатты затқа дейін конденсацияланатын алюминий оксиді ең аз таңдалады, осылайша газдардың көлемін азайтады. Сонымен қатар, алюминий оксиді фракциясы ең тиімді параболикалық Лаваль саптамаларының абразивті тозуына байланысты конустық шүмектерді қолдануға мәжбүр етеді.
Әскери зымыран отындары үшін олардың термиялық тұрақтылығы зымыран технологиясының жұмысының кең температуралық диапазонына байланысты ерекше маңызға ие. Сондықтан криогенді сұйық отындар (оттегі + керосин мен оттегі + сутегі) құрлықаралық баллистикалық зымырандардың (R-7 және Титан) дамуының бастапқы кезеңінде ғана, сондай-ақ қайта пайдалануға болатын ғарыштық аппараттардың ұшыру қондырғылары үшін (Space Shuttle және Energia) қолданылды.) спутниктер мен ғарыштық қаруды жердің төменгі орбитасына шығаруға арналған.
Қазіргі уақытта әскер тек азот тетроксиді (AT, тотықтырғыш) мен асимметриялық диметилгидразинге (UDMH, отын) негізделген жоғары қайнаған сұйық отынды пайдаланады. Бұл отын жұбының термиялық тұрақтылығы AT (+ 21 ° C) қайнау температурасымен анықталады, бұл ICBM және SLBM зымырандық силостарында термостатталған жағдайда бұл отынды зымырандармен пайдалануды шектейді. Құрамдас бөліктердің агрессивтілігіне байланысты оларды өндіру мен пайдалану технологиясы зымыран танкілері әлемде тек бір елге тиесілі болды - КСРО / РФ («Воевода» мен «Сармат» ББЖ, «Синева» және «СББМ»). Лайнер »). Ерекше жағдай ретінде AT + NDMG Х-22 «Темпест» қанатты зымырандары үшін отын ретінде пайдаланылады, бірақ жердегі жұмыстағы ақауларға байланысты Х-22 мен олардың келесі буыны Х-32 ұшақпен ауыстырылады деп жоспарлануда. -керосинді отын ретінде қолданатын қуатты «Циркон» қанатты зымырандары.
Қатты отынның жылу тұрақтылығы негізінен еріткіш пен полимерлі байланыстырғыштың сәйкес қасиеттерімен анықталады. Баллистикалық отын құрамында еріткіш нитроглицерин болып табылады, ол нитроцеллюлозасы бар қатты ерітіндіде минус -плюс 50 ° С дейінгі температуралық диапазонға ие. Аралас отындарда полимерлі байланыстырғыш ретінде жұмыс температурасының бірдей диапазоны бар әр түрлі синтетикалық каучуктер қолданылады. Бірақ қатты отынның негізгі компоненттерінің термиялық тұрақтылығы (аммоний динитрамид + 97 ° С, алюминий гидрид + 105 ° С, нитроцеллюлоза + 160 ° С, аммоний перхлораты және ГМХ + 200 ° С) белгілі байланыстырғыштардың ұқсас қасиетінен едәуір асып түседі., сондықтан олардың жаңа композицияларын іздеу маңызды.
Химиялық тұрғыдан ең тұрақты отын жұбы - AT + UDMH, өйткені ол үшін алюминий цистерналарында азот шамалы артық қысыммен ампулирленген сақтаудың бірегей отандық технологиясы әзірленген. Барлық қатты отындар полимерлер мен олардың технологиялық еріткіштерінің өздігінен ыдырауына байланысты уақыт өте келе химиялық түрде ыдырайды, содан кейін олигомерлер отынның басқа тұрақты компоненттерімен химиялық реакцияларға түседі. Сондықтан қатты отынды тексеру құралдарын үнемі ауыстыру қажет.
Зымыран отынының биологиялық улы компоненті UDMH болып табылады, ол орталық жүйке жүйесіне, көздің шырышты қабығына және адамның ас қорыту жолына әсер етеді және қатерлі ісікті қоздырады. Осыған байланысты UDMH-мен жұмыс оқшауланған химиялық қорғаныс костюмдерінде тыныс алу аппараттарының көмегімен жүзеге асырылады.
Отын тығыздығының мәні LPRE жанармай цистерналарының массасына және қатты отынды зымыран денесіне тікелей әсер етеді: тығыздық неғұрлым жоғары болса, зымыранның паразиттік массасы соғұрлым аз болады. Сутегі + оттегі отын жұбының ең төменгі тығыздығы 0,34 г / куб. см, керосин + оттегі жұбы тығыздығы 1,09 г / куб. см, AT + NDMG - 1, 19 г / куб. см, нитроцеллюлоза + нитроглицерин - 1,62 г / куб. см, алюминий / алюминий гидриді + перхлорат / аммоний динитрамид - 1,7 г / сс, HMX + аммоний перхлораты - 1,9 г / см. Бұл жағдайда, осьтік жанудың қатты отынды зымыран қозғалтқышы, жанармай зарядының тығыздығы жану каналының жұлдыз тәрізді бөлігіне байланысты жанармай тығыздығынан шамамен екі есе аз екенін есте ұстаған жөн. отынның жану дәрежесіне қарамастан, жану камерасында тұрақты қысымды ұстап тұру. Бұл баллистикалық отынға да қатысты, олар зымырандар мен зымырандардың жану уақытын және жылдамдық қашықтығын қысқарту үшін белдіктер немесе таяқтар жиынтығы ретінде жасалады. Олардан айырмашылығы, HMX негізіндегі түпкілікті жанудың қатты отынды зымыран қозғалтқыштарындағы отын зарядының тығыздығы оған көрсетілген максималды тығыздыққа сәйкес келеді.
Зымыран отынының негізгі сипаттамаларының соңғысы - жану өнімдерінің түтіні, зымырандар мен зымырандардың ұшуын көзбен жасырмайды. Бұл ерекшелігі құрамында алюминий бар қатты отынға тән, оның оксидтері зымыран қозғалтқышының шүмегінің кеңеюі кезінде қатты күйге дейін конденсацияланады. Сондықтан бұл жанармайлар траекториясының белсенді бөлімі қарсыластың көзінен тыс орналасқан баллистикалық зымырандардың қатты отындарында қолданылады. Ұшақ зымырандары HMX және аммоний перхлоратты отынмен, зымырандармен, гранаталармен және танкке қарсы зымырандармен - баллистикалық отынмен толтырылған.
Зымыран отынының энергиясы
Зымыран отынының әр түрлі түрлерінің энергетикалық мүмкіндіктерін салыстыру үшін олар үшін жану камерасындағы қысым түрінде және зымыран қозғалтқышының саптамасының кеңею коэффициенті түрінде салыстырмалы жану шарттарын орнату қажет - мысалы, 150 атмосфера мен 300 есе. кеңейту. Содан кейін отын жұптары / үшемдері үшін нақты импульс болады:
оттегі + сутегі - 4,4 км / с;
оттегі + керосин - 3,4 км / с;
AT + NDMG - 3,3 км / с;
аммоний динитрамид + гидроген сутегі + HMX - 3,2 км / с;
аммоний перхлораты + алюминий + HMX - 3,1 км / с;
аммоний перхлораты + HMX - 2,9 км / с;
нитроцеллюлоза + нитроглицерин - 2,5 км / с.
Аминий динитрамидіне негізделген қатты отын-бұл 1980 жылдардың соңындағы отандық өндіріс, ол RT-23 UTTKh және R-39 зымырандарының екінші және үшінші сатыларына арналған отын ретінде қолданылған және әлі де ең жақсы үлгілер бойынша энергетикалық сипаттамалары бойынша асып түспеген. Минутеман-3 және Трайдент-2 зымырандарында қолданылатын аммоний перхлораты негізінде шетелдік отын. Аминий динитрамид-бұл жарықтық, ол тіпті жарық сәулесінен де жарылады; сондықтан оны шығару қуаты төмен қызыл шамдармен жарықтандырылған бөлмелерде жүзеге асырылады. Технологиялық қиындықтар КСРО -дан басқа әлемнің кез келген жерінде зымыран отынын өндіру процесін меңгеруге мүмкіндік бермеді. Тағы бір нәрсе, кеңестік технология тек Украина ССР -нің Днепропетровск облысында орналасқан Павлоград химия зауытында ғана жүйелі түрде енгізілді, ал 1990 жылдары зауыт тұрмыстық химия өндірісіне айналдырылғаннан кейін жоғалды. Алайда, РС-26 «Рубеж» перспективалы қаруының тактикалық және техникалық сипаттамаларына сүйене отырып, технология Ресейде 2010 жылдары қалпына келтірілді.
Атындағы Пермь зауыты федералды мемлекеттік унитарлық кәсіпорнына тиесілі No 2241693 ресейлік патенттен алынған қатты зымыран отынының құрамы жоғары тиімді композицияның мысалы болып табылады. СМ. Киров »:
тотықтырғыш агент - аммоний динитрамид, 58%;
отын - алюминий гидриді, 27%;
пластификатор - нитроизобутилтринитрат глицерин, 11, 25%;
байланыстырушы - полибутадиен нитрилді каучук, 2, 25%;
қатайтқыш - күкірт, 1,49%;
жану тұрақтандырғышы - ультра жұқа алюминий, 0,01%;
қоспалар - көміртекті қара, лецитин және т.б.
Зымыран отынының даму перспективалары
Сұйық зымыран отынын дамытудың негізгі бағыттары (іске асырылу кезегінің тәртібі бойынша):
- тотықтырғыштың тығыздығын арттыру мақсатында аса салқындатылған оттегін қолдану;
- алюминий цистерналарының сұйық метан температурасында қатаюын ескере отырып, жанғыш компоненті керосинге қарағанда 15% жоғары энергияға және 6 есе жақсы жылу сыйымдылығына ие отын буы оттегі + метанға көшу;
- тотықтырғыштың қайнау температурасы мен энергиясын жоғарылату мақсатында 24% деңгейінде оттегі құрамына озон қосу (озонның үлкен үлесі жарылғыш);
- құрамдас бөліктерінде пентаборан, пентафторид, металдар немесе олардың гидридтері суспензиялары бар тиксотропты (қоюландырылған) отынды қолдану.
Өте салқындатылған оттегі қазірдің өзінде Falcon 9 зымыран тасығышында қолданылады; Ресей мен АҚШ-та оттегі + метанмен жұмыс істейтін зымыран қозғалтқыштары жасалуда.
Қатты зымыран отынының дамуының негізгі бағыты - тұтас алғанда қатты отындардың тотығу балансын жақсартатын молекулаларында оттегі бар белсенді байланыстырғыштарға көшу. Мұндай байланыстырғыштың заманауи отандық үлгісі-«Кристалл» мемлекеттік ғылыми-зерттеу институты (Дзержинск) әзірлеген динитрил диоксиді мен полиэфируретанды бутилендиолдың циклдік топтарын қамтитын «Ника-М» полимерлік құрамы.
Тағы бір перспективалы бағыт - HMX -пен салыстырғанда оттегі балансы жоғары (минус 22%) қолданылған нитрамин жарылғыш заттарының ауқымын кеңейту. Ең алдымен, бұл перспективалары өндіріс құнын төмендетуге байланысты болатын гексанитрогексексазазурцитан (Cl-20, оттегі балансы минус 10%) және октанитрокубан (нөлдік оттегі балансы)-қазіргі уақытта Cl-20-бұл қымбат бағалы тапсырыс. HMX қарағанда, октонитрокубан -Cl -жиырмаға қарағанда қымбат бағалы ретті.
Белгілі компоненттер түрлерін жетілдірумен қатар, молекулалары тек бір байланыспен байланысқан азот атомдарынан тұратын полимерлі қосылыстарды құру бағытында да зерттеулер жүргізілуде. Полимерлі қосылыстың қыздыру әсерінен ыдырауы нәтижесінде азот үштік байланыспен байланысқан екі атомның қарапайым молекулаларын құрайды. Бұл жағдайда бөлінетін энергия нитрамин жарылғыш заттарынан екі есе көп. Алғаш рет алмаз тәрізді кристалды торы бар азотты қосылыстарды орыс және неміс ғалымдары 2009 жылы 1 миллион атмосфералық қысым мен 1725 ° С температураның әсерінен бірлескен пилоттық қондырғыда жүргізілген эксперименттер кезінде алған. Қазіргі уақытта қарапайым қысым мен температурада азот полимерлерінің метастабильді күйіне жету бойынша жұмыстар жүргізілуде.
Азот оксидтерінің жоғарылығы-құрамында оттегі бар химиялық қосылыстар. Белгілі V азот оксиді (планарлы молекуласы екі азот атомынан және бес оттегі атомынан тұрады) балқу температурасы төмен болғандықтан (32 ° C) қатты отынның компоненті ретінде практикалық маңызы жоқ. Бұл бағыттағы зерттеулер азот оксиді VI (тетра-азот гексоксиді) синтездеу әдісін іздеу арқылы жүзеге асырылады, оның қаңқалық молекуласы тетраэдр тәрізді, шыңдарында төрт азот атомы байланысқан тетраэдрдің шетінде орналасқан алты оттегі атомы. VI азот оксиді молекуласындағы атомаралық байланыстардың толық жабылуы уротропиндікіне ұқсас жылу тұрақтылығының жоғарылауын болжауға мүмкіндік береді. Азот тотығының VI оттегінің балансы (плюс 63%) қатты зымыран отынындағы металдар, металл гидридтері, нитраминдер мен көмірсутекті полимерлер сияқты жоғары энергия компоненттерінің меншікті салмағын едәуір арттыруға мүмкіндік береді.
