CC BY
30
Mr Panto Maslak, potpukovnik, dipl. inž. Mr Lajo$ Tot, dipl.inž.
VojnotchniCki institul VJ, tteognd
ISPITIVANJA UTICAJA SREDNJEG MASENOG UDELA AZOTA U NITROCELULOZII VELIČINE ČESTICA MODIFIKATORA NA BRZINE SAGOREVANJA DVOBAZNIH RAKETNIH GORIVA
UDC: 621.45.07-6 : 541.128
Rezime:
Istraiivana je katalitička aktivnost balistiČkih modifikatora: baznog olovo-stearata, kaicijum-karbonafa, kobalt (lU)-oksida i čađi, za različile masene udele azota и nitrocelulo-si, kao komponenti dvobaznog raketnog goriva, kao i uticaj velićine česfica balistićkih modifikatora na brzinu sagorevanja dvobaznih raketnih goriva. Kao mera kaialirićke aktivnosti koriSćen je koeficijent katalitičke aktivnosti, koji predstavlja odnos brzine sagorevanja re-ferentnog modela dvobaznog raketnog goriva sa modifikatorima i brzine sagorevanja refe-rentnog modela dvobaznog raketnog goriva bez balističkih modifikatora. Phkazani su ekspe-rimentalni rezultati ispitivanja brzina sagorevanja dvobaznog raketnog goriva. Izvedeni su odgovarajutfi modeli zavisnosti brzina sagorevanja od pritiska и raketnom motoru.
Kljućne reii: dvobazno raketno gorivo, katalitička aktivnost, brzina sagorevanja.
INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF THE MASS AVERAGE RATIO OF NITROGEN IN NITROCELLULOSE AND THE PARTICLE SIZE ON BURNING RATES OF DOUBLE BASE PROPELLANTS
Summary:
The investigation described in this paper concerns the experimental phenomenological study of catalytic activity of ballistic catalysts: basic lead-stearate, calcium carbonate, cobalt trioxide and carbon black for different mass portions of nitrogen in nitrocellulose as components of a double base propellant, as well as the influence of the dimensions of ballistic catalyst particles on the double base propellants burning rate. The catalyst activity ratio in used as a measure of catalyst activity, and it represents the ratio of the burning rate of a double base propellant with catalysts referent model to the burning rate of a double base propellant without ballistic catalysts referent model. The paper gives the experimental results of the double base propellant burning rate. The appropriate models of the burning rate dependence on the pressure within the rocket motor are derived.
Keywords: double base propellant, catalyst activity, burning rate.
Uvod
U toku proizvodnje opitnih modela dvobaznih raketnih goriva dodavani su balistički modifikatori u osnovne sastave,
što omogućava da se reguliše nivo brzine sagorevanja ovih pogonskih materija, i da se istovremeno smanje vrednosti tem-peratumog koeficijenta i cksponenta pritiska u zakonitosti brzine sagorevanja [1,
28
VOJNOTEHNlCKl GLASN1K 1/2002.
2, 3, 4], pri Ćemu se dobija stabilna tačka rada raketnog mot ora.
Pored balističkih modifikatora, os-novni sastav, stepen nitracije nitrocelulo-ze i veličina Čestica balističkih modifikatora imaju znatan uticaj na reakciju sago-revanja dvobaznih raketnih goriva. U ra-du su ispitivana četiri modaliteta nitroce-luloze sa stepenom nitracije od 12,0% do 13,2% azota.
Iz ekspenmentaino dobijenih rezul-tata brzine sagorevanja u standardnom ekspcrimentalnom motoru izvedeni su matematički modeli zakonitosti brzine sagorevanja opitnih modela dvobaznih raketnih goriva, i određeni odgovarajući koeficijenti katalitičke aktivnosti u funk-ciji udeia azota u nitrocelulozi kao kom-ponenti dvobaznih raketnih goriva.
Rezultati eksperimentalnih
istraživanja
Modeli dvobaznih raketnih goriva (DRG) izradivani su tehnologijom eks-trudovanja [5, 6,] koja obuhvata izradu , jake smeše" (smeša nitroceluloze, nitro-gliccrina, stabilizatora i plastifikatora), doziranje balističkih modifikatora i ho-mogenizaciju barutne mase, želatinizaci-ju nitroceluloze nitroglicerinom na dife-rencijalnim i homokinetičkim valjcima i ekstmdovanje cilindričnih barutnih blo-kova spoljnjeg prečnika 32 mm, unutraš-njeg prečnika 16 mm i dužine 125 mm, Ćija površina sagorevanja ostaje približno konstantna tokom sagorevanja u standardnom eksperimentalnom motoru.
Nitroceluloza (NC) je korišćena u obliku Četiri modaliteta koji se razli-kuju po sadržaju azota i viskozitetu, a či-
Tabela l
Karaheristike nitroceluloze и osnovnim stutavima
Karaktcristika Nitroceluloza
NCI NC2 NC3 NC4
Azot u NC (mas.%) Viskozitct po Hopleru (mPas) Finoća (emb 12,0 30.40 80 12.35 43,79 80 12.68 27,78 80 13.2 32.13 80
Oznaka
referentnog (osnovnog sastava DB10 DB20 DB30 DB40
Toplotni poteneijal osnovnog sastava (J/e) 4172,6 4259,0 4389,0 4617.2
je su osnovne karakteristike prikazane u tabeli 1.
Nitroglicerin je korišćen kao ener-getski želatinizator nitroceluloze. Dietil-ftalat je korišćen kao plastifikator nitro-celuloze. Simetrična dimetildifenilurea (centralit I), korišćen je kao stabilizator DRG. Sastavi referentnih (osnovnih) modela DRG (opitni modeli bez balističkih modifikatora) su identični osim masenog udeia azota.
Za izradu opitnih modela iz tabcle 2, na bazi osnovnih sastava DB10, DB20 i DB30, kao balistički modifikatori korišće-ni su:
- bazni olovo-stearat (PbS), beli prah, specifiCne površine 38.000 cm2/cm3;
- kalcijum-karbonat (WS), beli prah, srednjeg prečnika čestica ispod 0,044 mm;
- čad, cmi prah, srednjeg prečnika čestica većeg od 0,045 mm,
- kobalt (lll)-oksid, (C0203) cmi prah, prečnika čestica ispod 0,005 mm.
Za izradu opitnih modela prikazanih u tabeli 3, na bazi osnovnih sastava DB10 i DB40, korišćena je acetilenska
VOJNOTEHNlCKI GLASNIK 1/2002.
29
Tabela 2
Sastavi opitnih modcla na bazi DBtO. DB20 i DB30
Oznaka DRG Osnovni sastav Maseni udeli balistiCkih modifikatora na 100 dctova refe-rentnoa (osnovnoe) sastava
PbS ws cop, Cad mas. %N,
NS-8128 DB10 2 1 1 12,00
NS-8129 DB20 2 1 1 l 12,35
NS-8130 DB30 2 1 1 1 12,68
NS-8138 DB10.DB30 (50:50) DB20:DB30 2 \ l 1234
NS-8139 (50:50) 2 1 1 1 12.51
Tabela 3
Sastavi opitnih modela na bazi osnovnih sastava DBlOi DB40
Oznaka DRG Osnovni sastav Maseni udeli balistiCkih modifikatora oa 100 dek>va refercnmog (osnovnog) sastava
PbS WS COA Cad nas. %Nt
N$-8251 DB10 2 1 1 1 12,00
NS-8252 DBI0DB40 90:10 2 1 1 1 12.12
NS-8253 DB!0:DB40 40:60 2 1 1 1 12,72
NS-8247 DB10.DB40 80:20 2 1 1 1234
NS-8250 DBI0:DB40 60:40 2 1 1 12.48
NS-8249 DB10:DB40 50:50 2 1 l 12,60
NS-8254 DB10:DB40 10:90 2 l 1 13.08
NS-8248 DBI0:DB40 20:80 2 l 1 12.96
NS-8245 DB10 2 1 12.00
čađ sa prečnikom čestica manjim od 0,045 mm i koball trioksid sa srednjim prečnikom čestica manjim od 0,001 mm.
lz eksperimentalno dobijenih rezul-tata izvedeni su matematički modeli za> konitosti brzinc sagorevanja, V-bP", sa odgovarajućim kvadratom koeficijenta korclacije (r2) koji su prikazani u labcli 4.
Kao mera efikasnosti balističkih modifikatora korišćen je koeficijent kata-litičke aktivnosti [3], Kv, tj. odnos brzine
sagorevanja DRG sa balističkim modifi-katorima (katalizovana DRG) i brzine sagorevanja odgovarajućih referentnih modela bez modifikatora (nemodifikovana DRG):
gdeje:
Vk - brzina sagorevanja katalizovanog DRG;
V0 — brzina sagorevanja nekatalizovanog DRG.
Sem toga, imajući u vidu ulogu bali-stičkih modifikatora (regulisanje nivoa brzine sagorevanja i istovremenog sma-
Tabeia 4
Parametri и zakonitosti brzine sagorevanja DRG
Oznaka DRG V=b*P"
5 (mm/s) n(-> r<-) Interval pritiska (bar)
NS-8128 1.440 4.010 0,527 0,302 0,998 0.995 36-100 100-221
NS-8129 1.163 5.110 0.580 0.273 0,996 0.998 41-129 129-247
NS-8130 0,902 2.900 0,627 0.385 0,997 0.998 33-130 130-221
NS-8138 1,215 4.487 0,570 0.297 0,997 0.999 40-125 125-234
NS-8139 0,828 3.809 0,652 0.334 0,992 0,984 55-127 127-207
NS-8251 1.676 21.522 0,535 0.025 0,951 0.600 67-154 154-234
NS-8252 1.012 16.140 о’б52 0.081 0,998 0,967 58-124 141-194
NS-8245 2.696 29.045 0,440 -0,036 0,995 81-150 150-207
NS-8248 1.977 7.576 0,497 0.227 0,976 0,850 119-148 148-186
NS-8254 0.652 4.047 0,740 0.353 0,999 0.988 46-108 123-223
NS-8247 12,940 0,553 0.115 0,998 0.966 65-134 134-191
NS-8249 1.649 7.800 0,538 0,222 0,989 0,957 70-152 152-260
NS-8250 0.989 10.270 0.640 0.166 0.993 0.998 47-143 143-242
NS-8253 1,029 6,938 0.643 0.248 0,993 0.980 57-128 142-231
30
VOJNOTEHNlCKI GLASN1K 1/2002
SI. I - Zavisnosti brzine sagorevanja od pritiska za sastave NS-8128. NS-8129 i NS-8130. na bazi čistih jakih smela DBIO. DB20 i DB30
Si 2 - Zavisnosti koeftcijenta katalitičke aktivnosti od pritiska za sastave NS-8128. NS-8129 i NS-8130
njenja eksponenta pritiska i temperatur-nog koeficijenta) [3, 5, 7], kao mera nji-hove efikasnosti korišćena je i vrednost eksponenta pritiska (n) modifikovanih DRG, tabela 4.
Eksperimentalno određene vrednosti bizinc sagorevanja, za sastave NS-8128, NS-8129 i NS-8130, na bazi Čistih jakih smcša (DBIO, DB20 i DB30), tabela 2, sa odgovarajućim teorijski izračunatim brzinama sagorevanja za pomenute jake smeše, korišćenjem vrednosti toplotnih po-tencijala iz tabele 1, prikazane su na slici 1.
Odredene vrednosti koeficijenata katalitičke aktivnosti za sastave NS-8128, NS-8129 i NS-8130 prikazane su na slici 2.
Eksperimentalno odredene vrednosti brzine sagorevanja, za sastave NS-8138 i NS-8139 na bazi me&avine jakih smcSa DB10:DB20 (u masenom odnosu 50:50) i DB20:DB30 (u masenom odnosu 50:50) i NS-8129 na bazi Čiste jake sme-še DB20, tabela 2, sa odgovarajućim teorijski izračunatim brzinama sagorevanja, korišćcnjem vrednosti toplotnih potenci-jala iz tabele 1 [3], za pomenute mešavi-ne jakih smeša, prikazane su na slici 3.
Odredene vrednosti koeficijenata katalitičkc aktivnosti za sastave NS-8138, NS-8139 i NS-8129 prikazane su na slici 4.
Eksperimentalno odredene vrednosti brzine sagorevanja, za sastave NS-8251 i NS-8245 (na bazi čistc jake smeše DBIO) i NS-8252 na bazi mešavine jakih srnesa DB10:DB40 (u masenom odnosu 90:10) tabela 3, sa odgovarajućom teorij-
Sl. 3 - Zavisnosti brzine sagorevanja od pritiska za sastave NS-8138 i na bazi meiavine jakih sme-ša DBI0 DB20 (50:50) i DB20.DB30 (50:50) i NS-8129 na bazi jake smeie DB20
VOJNOTEHNlCKI G1.ASNIK 1/2002.
31
SI. 4 - Zavisnosti koeficijenta katalitičke aktivnosti od pritiska га sastave NS-8138. NS-8/39 i N$-8129
SI. 3 - Zavisrtosn brzine sagorevanja od pritiska za sastave NS-8251 i NS-8245 (na bazi jake sme-se DBIO) i NS-8252 na bazi meiavine jakih smeia DBI0.DB40 (90:10)
ski izračunatom brzinom sagorevanja za pomenute jake smeše, korišćenjem vred-nosti toplotnih potencijala iz tabele 1 [3], prikazane su na slici 5.
Odredene vrednosti koeficijenata ka-talitičke aktivnosti za sastave NS-8251, NS-8245 i NS-8252 prikazane su na slici 6.
Eksperimentaino odredene vrednosti brzine sagorevanja, za sastave NS-8248 i NS-8254, na bazi mešavine jakih smeša
DB10:DB40 (u masenom odnosu 10:90 odnosno 20:80), tabela 3, sa odgovaraju-ćim teorijski izračunatim brzinama sagorevanja, korišćenjcm vrednosti toplotnih potencijala iz tabele 1 [3], za pomenute mešavine jakih smeša, prikazane su na slici 7.
Odredene vrednosti koeficijenata katalitičke aktivnosti za sastave NS-8248 i NS-8254 prikazane su na slici 8.
NS-8138 i NS-8139, identičnog sa-stava samo različitog srednjeg sadnžaja azota. Odredene vrednosti koeficijenata
SI. 6 - Zavisnosti koeficijenta katalitičke aktivnosti od pritiska za sastave NS-8251, NS-8245 i NS-8252
Si. 7 - Zavisnosti brzine sagorevanja od pritiska za NS-8248 i NS-8254, na bazi meiavine jakih smeia DBI0.DB40 (10:90 odn. 20:80)
32
VOJNOTEHNlCKI GLASN1K 1/2002.
1.5 1*
И
135 * 13 125 12 1*
11
0 S3 CD ED 2C0 2S0
Rite* ter
SI. 8 - Zavisnosti koeficijenta kataliiičke aktivno-sti odpritiska za sastave NS-8248 i NS-8254
i №05* -| №08 \\ i \\
- - — Л!
1 L_l_
SI. 9 - Zavisnosti brzinc sagorevanja od pritiska za NS-8128. NS-8130. NS-8138 i NS-8139
katalitičke aktivnosti za sastave NS-8128, NS-8130, NS-8138 i NS-8139, date su na slid 10.
Na slikama 11 i 12 prikazane su eksperimentalno odredene vrednosti brzi-ne sagorevanja sastava identičnog sadr-žaja balističkih katalizatora, a različite velidne čestica.
Odnosi brzina sagorevanja sastava sa ftnijim česticama modifikatora prema brzinama sagorevanja sastava sa krupni-jim česticama, na pritisku od 120 bara (u području „super brzina") iznose: 1,275
za sastave NS-8251 i NS-8128, 1,127 za sastave NS-8250 i NS-8139 i 1,232 za sastave NS-8253 i NS-8130. Odnos brzi-
SI. JO- Zavisnostikoeficijenta katalitičkeaktivnosti od pritiska za sastave NS-8128, NS-8130. NS-8138 i NS-8139
Prfeak. bar
a)
PnhM*. bar b)
SI. IJ - Zavisnosti brzinc sagorevanja od pritiska za sastave NS-825J. NS-8128. NS-8250 i NS-8J39. identičnog sadriaja balistićkih katalizatora. a razli-(ite veličine čestica
VOJNOTHHNlCKI GLASNIK 1/2002.
33
Pntisek. bar
St. 12 - Zavisnosii brzine sagorevanja od pritiska ;a sastave NSSJ30 i NS-8253. identičnog sadriaja balisličkih katalizatora. a ra2tićite veliiine čestica
na sagorevanja sastava NS-8129 (12,35% N2) prema NS-8128 (12,0% N2) iznosi 1,098. Analizom navedcnih odnosa brzi-na sagorevanja uočava se da je uticaj ve-ličine čestica modifikatora dominantniji od uticaja masenog udela azota u ugrade-nim nitrocelulozama u ispitivamrn opitnim modelima.
Analiza rezultata
eksperimentalnih ispitivanja
Rezultati ispitivanja (slika 2) poka-zuju da najveću katalitičku aktivnost ba-lističkih modifikatora (u intervaiu pritisa-ka od 60 do 220 bara) ima sastav NS-8129. Iz tabela 2 i 4 i sa slika 1 i 3 vidi se da sa porastom masenog udela azota do-lazi do pomeranja plato-cfekta ka pod-ručju većih pritisaka. Takode, vidi se da je eksponent pritiska najveći kod sastava NS-8130 (sastav sa najvedm srednjim masenim sadržajem azota).
Sa slike 4 vidi se da najveću katali-tičku aktivnost balističkih modifikatora ima sastav NS-8138. Iz tabele 4 i sa slike 3 može se uočiti da sastavi NS-8129 i
NS-8138 imaju vrlo siične zakonitosti br-zine sagorevanja, što navodi na zaključak da barutni sastavi identičnog sastava (bez obzira na način dobijanja takvog sred-njeg sadržaja azota) imaju vrlo slične zakonitosti brzine sagorevanja.
Najveći eksponent pritiska ima sastav NS-8139 (sastav sa najvećim srednjim masenim sadržajem azota).
Sa slike 6 vidi sc da je katalitička aktivnost balističkih modifikatora sastava NS-8251 i NS-8245 u intervaiu pritisaka od 110 do 200 bara veoma slična. Iz tabele 4 i sa slike 5 vidi se da pomenuti sastavi imaju vrlo slične zakonitosti brzine sagorevanja (u oblasti platoa), 5to navodi na zaključak da barutni sastavi identič-nog sastava (bez obzira na način dobijanja takvog srednjeg sadržaja azota) imaju vrlo slične zakonitosti brzine sagorevanja. Na osnovu dobijenih zakonitosti brzine sagorevanja, za NS-8251 i NS-8245, može se videti i odlična reproduktivnost rezultata pomenutih ispitivanja. Ista ispitivanja važe i za sastave NS-8248 i NS-8254 (u području pritisaka 120 do 180 bara).
Sa porastom srednjeg sadržaja azota iznad 12,34%, tabela 4, dolazi do porasta cksponenta u zakonitosti brzine sagorevanja, kao i do pomeranja pritiska počct-ka plato-oblasti ka višim pritiscima.
Najmanju kataiitičku aktivnost u intervaiu pritisaka od 100 do 220 bar, slika 10, pokazuje sastav sa najmanjim srednjim sadržajem azota. Sastav sa 12,34% azota u intervaiu pritisaka od 50 do 220 bar pokazuje najvedu katalitičku aktivnost.
Na osnovu zakonitosti bTzine sagorevanja, tabela 4, za sastave NS-8251, NS-8247, NS-8249 i NS-8254 jasno se
34
VOJNOTRHNlCKl GLASNIK 1/2002
vidi da sa porastom srednjeg masenog udela azota (u oblasti platoa) dolazi do porasta eksponenta pritiska.
Sa slika 11 i 12 vidi se znatan porast brzine sagorevanja pri koriSćenju bali-stiCkih modifikatora manjih veličina če-stica (C020j ispod 0,005 mm, odnosno ispod 0,001 mm).
Zaključak
Na osnovu eksperimentalnih rezul-tata iznetih u ovom radu može se konsta-tovati sledeće:
- katalitička aktivnost u opitnim modclima DRG, posmatrana preko K.v, raste sa porastom udela azota u nitrocelu-lozi. Plato-efekat balističkih modifikatora pomera se ka većem nivou pritiska sa povećanjem stepena nitracije nitrocelulo-za ugradenth u opitne modele;
- uzimajući u obzir kvalitet opitnih modela, posmatrano preko koeficijenta n, u zakonitosti sagorevanja, uočava se da nitroceluloza sa manjim stepenom nitraci-
je, ispod 12,5%, uslovljava uvećanje brzine gorenja uz smanjenje koeficijenta n za ispitivanc tipove balističkih modifikatora;
- uticaj masenog udela azota na brzi-nu sagorevanja nije uslovljen načinom do-bijanja srednjeg udela azota u nitrocelulozi;
- uočava se da je uticaj veličine če-stica modifikatora dominantniji na brzinu sagorevanja od uticaja masenog udela azota u ugradenim nitrocelulozama u is-pitivanim opitnim modelima.
Literature:
[l| Preckel, R. F.: Plateau Balistics in nitrocehjlose Propellants. А1ЛЛ Journal. Vol 3. Feb. 1965, pp 346-347.
[2| Kubota. N.: Determination of plateau bunting cfcct of catalyzed dable-base propellants, 17th S impost um on combustion institute, Pittsburgh. Pa.. 1979, pp. 1435-1441.
(3) Maslak. P,: Uporedno ispitivanje različitih baltstićkth mo-difikatora и dvobaznim Ьаплйта. raagistarski rad. Beograd. 1990.
|4| Kubota. N.: Role of aditives in Combustion waves and effects on stable combustion limit of double-base propellants. Propellants and Explosives. 3,1978, ppl6J 168.
(5| Maslak, P,: Novi sastavi dvobaznih raketnih banrta. Tl-636.1984.
(6) OpSti tehnolotki postupak proi2vodnje eksnudovamh dvobaznih raketnih goriva i pogonskih punjenja. TP 5000.
|7| Maslak, P.: Kataiitieka aktivnost jedinjenja olova i bakra u reakeiji sagorevanja dvobaznih raketnih goriva. 111-13, I98S.
VOJNOTEHN1ČKIGLASNIK 1/2002.
35
