Трушляков В. И. и др.

Журнал прикладной химии. 2021. Т. 94. Вып. 1

УДК 629.7.036.22.001

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ДЛЯ СЖИГАНИЯ СБРАСЫВАЕМЫХ ЧАСТЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

¹ Омский государственный технический университет,

644050, г. Омск, пр. Мира, д. 11

² Институт проблем химической физики РАН,

142432, Московская обл., г. Черноголовка, пр. Академика Семенова, д. 1

³ Центральный институт авиационного моторостроения им. П. И. Баранова,

111116, г. Москва, ул. Авиамоторная, д. 2

* E-mail: kozharikov@yandex.ru

Поступила в Редакцию 2 декабря 2019 г.

После доработки 3 августа 2020 г.

Принята к публикации 6 октября 2020 г.

Предложен способ повышения тактико-технических и экологических характеристик летательных

аппаратов за счет сжигания отделяющихся от летательного аппарата элементов конструкций.

Предложенный метод рассмотрен на примере сжигания створок головного обтекателя при их вхож-

дении в плотные слои атмосферы. Для создания сжигаемых отделяющихся конструкций предложено

использовать полимерный композиционный материал, например, полиэтилен или полистирол с само-

горящим энергетическим компонентом, например, с октогеном. Термодинамический анализ адиаба-

тического превращения пары октоген + полимерный композиционный материал показал, что в случае

массового соотношения октоген:полимерный материал, равного 3:2, использование полиэтилена

может обеспечить адиабатическую температуру выше 1000 K при движении объекта в безвоздуш-

ной среде, а использование полистирола — выше 1400 K. При вхождении отделяющегося элемента

конструкции в плотные слои атмосферы уже прогретые продукты термопревращения среднего слоя

створок головного обтекателя инициируют возгорание и дальнейшее сгорание в кислороде воздуха

остальных (внешних и внутренних слоев) горючих конструкционных материалов.

Ключевые слова: полимерные материалы; горение; октоген; головной обтекатель; термодинамиче-

ский анализ

DOI: 10.31857/S0044461821010138

Запуск летательных аппаратов воздушно-косми-

аппарата объект падает с большой высоты и в процес-

ческого назначения, в частности, ракет-носителей и

се падения сильно разогревается (до 1400-2100 K).

авиационных ракет связан с последующим отделени-

Но объекты, отделяющиеся от летательного аппарата

ем некоторых элементов конструкции и их падением

на небольших высотах, например, после отделения

на Землю. Для снижения рисков выделяют районы

первой ступени в процессе падения на Землю разо-

падения отделяющихся в полете элементов конструк-

греваются до меньших температур (400-600 K), что

ции, после падения определяют их точное местона-

недостаточно для воспламенения в воздухе при про-

хождение и обеспечивают их вывоз с последующей

хождении плотных слоев атмосферы [2].

утилизацией и т. д. [1]. Все это ведет к большим фи-

Для инициализации возгорания рассматрива-

нансовым затратам.

лась возможность использования термитных сме-

Кардинальным решением этой проблемы могло бы

сей (Fe₂O₃ + Mg и др.), теплота сгорания которых

стать сжигание падающих на Землю отделившихся

в среде, не содержащей кислорода, составляет

конструкций в плотных слоях атмосферы, что обычно

4-6 МДж·кг^-1 [2], в качестве химического иници-

и происходит, когда отделившийся от летательного

атора для предварительного прогрева отделяемого

Исследование полимерных материалов для сжигания сбрасываемых частей летательных аппаратов

головного обтекателя еще до вхождения в плотные

полимерные материалы и дополнительно в заполни-

слои атмосферы.

тель вводят самогорящий энергетический компонент,

Проведенные теоретические и экспериментальные

например октоген.

исследования [2, 3] по оценке возможности сжигания

Основные требования, предъявляемые к разраба-

оболочки головного обтекателя ракеты, выполнен-

тываемому материалу заряда-заполнителя:

ного из современных полимерных композиционных

— обеспечение прочности, близкой к прочности

материалов (угле-, боро-, органопластик) и сплавов

традиционного материала (алюминиевый сплав) со-

(АМг6, Д16АТ и т. д.), не увенчались успехом по

тового заполнителя головного обтекателя;

нескольким причинам: размещение на поверхности

— возможность воспламенения заряда-заполни-

оболочки головного обтекателя значительного ко-

теля и его горения (без участия внешнего кислорода)

личества термитной смеси для прогрева всего обте-

с выделением необходимого количества теплоты для

кателя до температуры, когда его материал сможет

прогрева полимерного материала до 700 K.

загореться в кислороде воздуха; повышенное мас-

Для определения количества заряда-заполнителя,

совое содержание (до 90%) твердой фазы в продук-

необходимого для обеспечения высокой полноты сго-

тах сгорания термитной смеси (в случае термитной

рания отделяющейся конструкции головного обтека-

смеси Fe₂O₃ + Mg продуктами сгорания становятся

теля, были проведены термохимические расчеты про-

Fe + MgO) [4]; прогрев оболочки головного обтекате-

цессов горения в указанном двустадийном процессе:

ля как минимум до температуры плавления алюминия

— на первой стадии горение заряда-заполнителя

(933 K), входящего в большой массовой доле в мате-

без воздуха;

риал конструкции обтекателя.

— на второй стадии горение уже разогретой остав-

Цель исследования — определить возможность соз-

шейся сжигаемой части конструкции (внешние и

дания отделяемых головных обтекателей, в материале

внутренние слои оболочки).

конструкции которых присутствуют полимерные мате-

В качестве энергетического материала могут высту-

риалы и самогорящие (т. е. способные гореть без уча-

пать самогорящие компоненты различных энергоем-

стия внешнего кислорода) энергетические компоненты.

ких композиций (взрывчатые композиции твердых ра-

кетных топлив и пр.). В частности, в качестве одного из

примеров таких энергоемких соединений можно рас-

Методическая часть

сматривать самогорящее взрывчатое вещество, массо-

Используемые в настоящее время головные об-

вое производство которого давно освоено, — октоген

текатели ракет представляют собой трехслойную

(циклотетраметилентетранитрамин C₄H₈N₈O₈) [5].

конструкцию из полимерных композиционных ма-

Для оценки термохимических параметров ади-

териалов в виде двухстворчатой оболочки различной

абатического термопревращения и последующего

кривизны. Внешний и внутренний слои оболочки

выбора полимерного материала заряда-заполнителя

изготовлены из термостойкого полимерного ком-

рассмотрены кристаллические полимеры с высокомо-

позиционного материала (к примеру, углепластик

лекулярной структурой, такие как полиэтилен, поли-

КМУ-4л), средний слой оболочки представляет собой

стирол и полиметилметакрилат. Это доступные поли-

сотовый заполнитель из алюминиевого сплава (на-

меры с высокой прочностью. В качестве компонентов

пример, АМг6 или Д16АТ). Как ранее было показано

заряда-заполнителя, находящегося между внешним и

[3], сжигание и последующее разрушение элементов

внутренним слоями оболочки, рассматривали поли-

конструкции из данных материалов затруднительно.

этилен и полистирол как материалы с более высокой

Для разработки сжигаемой отделяющейся конструк-

теплотой сгорания, а как материал внешнего и вну-

ции головного обтекателя нами принята за основу

треннего слоев оболочки — полиметилметакрилат.

трехслойная оболочка: для внешнего и внутреннего

Исследование энергетических свойств компози-

слоев рассматриваются прочные углеводородные

ций проводили с помощью стандартной пользова-

полимерные материалы, а для среднего слоя — смесь

тельской программы расчета высокотемпературных

энергетического компонента и полимерного материа-

равновесий ТЕРРА [6]. Расчет проводили при условии

ла (далее заряд-заполнитель).

адиабатического процесса, давлении 0.1 МПа и при

Исследуемые материалы для создания сжигаемой

начальной температуре 293 K для двух типов заря-

отделяющейся конструкции головного обтекателя

да-заполнителя: октоген + полиэтилен и октоген + по-

и, в частности, среднего слоя оболочки отличают-

листирол — при варьировании массового соотноше-

ся от традиционных тем, что алюминиевый сплав

ния энергетический компонент:полимерный материал

в сотовом заполнителе заменен на углеводородные

от 4:1 до 3:7.

100

Трушляков В. И. и др.

Величину температуры T_ad, до которой прогреется

емого заряда-заполнителя: полиэтилен + октоген и

вся система при адиабатическом превращении, и массо-

полистирол + октоген — при различных массовых

вую долю конденсированных продуктов термопревра-

соотношениях. По результатам термодинамического

щения Z рассчитывали с помощью программы ТЕРРА.

анализа (табл. 1) проведена оценка адиабатической

Величины T_ad, вычисленные для систем энерге-

температуры T_ad и массового содержания твердофаз-

тический компонент + полимерный материал, не со-

ных продуктов Z адиабатического термопревращения

держащих внешний кислород, количественно харак-

композита в отсутствие кислорода.

теризуют способность заряда-заполнителя служить

Применение полистирола в качестве компонента

инициатором воспламенения внешнего и внутреннего

заряда-заполнителя приводит к более высоким ве-

слоев оболочки, изготовленных из полиметилмета-

личинам T_ad, чем применение полиэтилена (табл. 1).

крилата, при движении в плотных слоях атмосферы.

Повышение T_ad должно облегчить воспламенение

На следующем этапе с помощью программы ТЕРРА

в кислороде воздуха материалов створок головного

рассчитывали термохимические параметры процесса

обтекателя. При равных содержаниях октогена смеси

горения продуктов термопревращения системы энер-

полиэтилен + октоген характеризуются величина-

гетический компонент + полимерный материал и по-

ми T_ad и Z ниже, чем смеси полистирол + октоген.

лимерного материала внешнего и внутреннего слоев

Причиной снижения T_ad при замене полиэтилена на

оболочки — полиметилметакрилата. Соотношение

полистирол является более низкая энтальпия образо-

общей массы внешнего и внутреннего слоев оболочки

вания полиэтилена, причиной снижения Z — увели-

и массы заряда-заполнителя (октоген + полистирол)

чение массовой доли водорода в составе полиэтилена

установлено, как и в существующих конструкци-

по сравнению с полистиролом.

ях, 2:1. При расчетах на этом этапе учитывали и ко-

Рассмотрены величины разогрева материала кон-

личество кислорода, необходимого для окисления

струкции головного обтекателя при адиабатическом

всех компонентов до углекислого газа и воды. Это

превращении как в безвоздушном пространстве при

количество рассчитывается исходя из элементного

движении в верхних слоях атмосферы, так и с участи-

состава и содержания всех исходных компонентов.

ем атмосферного кислорода при движении в плотных

слоях траектории спуска. В качестве заряда-заполни-

теля сжигаемой конструкции обтекателя рассматри-

Обсуждение результатов

валась смесь полистирола с октогеном в различных

Исследованы бинарные системы полимерных

массовых соотношениях. Как было показано выше, в

материалов и энергетического компонента сжига- отсутствие кислорода при адиабатическом превраще-

Таблица 1

Адиабатическая температура и массовое содержание твердой фазы в продуктах термопревращения бинарных

систем полиэтилен + октоген, полистирол + октоген без участия кислорода при различных массовых

соотношениях компонентов

Адиабатическая температура

Массовое содержание твердой фазы

Содержание, мас%

продуктов термопревращения T_ad, K

в продуктах термопревращения Z, мас%

Полиэтилен

Октоген

1500

4.11

1192

14.44

1045

25.8

970

36.6

906

45.2

842

49.8

Полистирол

Октоген

1850

5.3

1623

16.2

1420

1250

1120

1040

59.7

Исследование полимерных материалов для сжигания сбрасываемых частей летательных аппаратов

101

Таблица 2

Влияние отношения энергоемкого компонента к полистиролу в составе внутреннего заполнителя

на адиабатическую температуру при горении материалов сжигаемого обтекателя в плотных слоях атмосферы

Состав сжигаемого обтекателя, %

Количество воздуха, требуемое для сжи-

полистирол

октоген

полиметилметакрилат

гания 1 кг заряда-заполнителя, внешнего

Адиабатическая

(в заряде-

(во внешнем и внутреннем

и внутреннего слоев оболочки до воды

температура T_ad, K

заполнителе)

слоях оболочки)

и CO₂, кг

6.8

27.2

10.60

2126

10.2

23.8

10.11

2130

13.6

20.4

9.62

2135

9.14

2140

20.4

13.6

8.65

2144

23.8

10.2

8.16

2150

нии смеси полиэтилена с октогеном достигается тем-

возгоранию и сгоранию внешнего и внутреннего сло-

пература ниже, чем при адиабатическом превращении

ев при вхождении в плотные слои атмосферы.

смеси полистирола с октогеном. При расчете параме-

Предложенный в настоящей работе принцип соз-

тров процесса термопревращения заряда-заполнителя

дания сжигаемых отделяющихся конструкций бли-

и полиметилметакрилата в плотных слоях атмосферы

зок к принципу создания топлив для прямоточных

необходимое количество кислорода принимали, ис-

воздушно-реактивных двигателей [7], где введение

ходя из условия полного сгорания всех материалов.

высокоэнтальпийных диспергаторов необходимо для

В присутствии кислорода горение состава поли-

повышения до определенной величины адиабатиче-

стирол + октоген + полиметилметакрилат позволяет

ской температуры на первой стадии процесса термо-

достичь величин адиабатической температуры 2000-

превращения углеводородного топлива в отсутствие

2100 K. Следует отметить, что расчетные величины

воздуха в газогенераторе, иначе не будет ни гази-

Tad практически не изменяются при существенном из-

фикации топлива, ни его диспергирования в камеру

менении соотношения октоген:полистирол (табл. 2),

дожигания, следовательно, горение не начнется.

поскольку при горении в кислороде воздуха всех

конструкционных материалов обтекателя величина

Выводы

общего тепловыделения есть сумма парциальных

теплот сгорания всех компонентов. Теплота сгорания

Полученные термохимические расчетные данные

октогена существенно ниже, чем теплота сгорания

параметров процесса горения материала конструкции

полистирола, поэтому по мере повышения соотноше-

сжигаемого обтекателя летательного аппарата под-

ния октоген:полистирол T_ad понижается, но так как

тверждают возможность практической реализации

массовая доля смеси октоген + полистирол во всей

повышения тактико-технических и экологических

массе заряда-заполнителя составляет лишь 34%, то и

характеристик летательных аппаратов за счет введе-

понижение T_ad в результате повышения соотношения

ния в конструкцию обтекателя энергетических соеди-

октоген:полистирол от 10.2:23.8 до 27.2:6.8 невелико

нений, способных к экзотермическому превращению

(24 K). Поэтому при выборе оптимального соотноше-

в безвоздушном пространстве.

ния октоген:полистирол следует ориентироваться на

Создание сжигаемой трехслойной конструкции

такое соотношение (примерно 3:2), при котором би-

предусматривает использование заряда-заполнителя,

нарная композиция октоген + полистирол характери-

состоящего из высокоэнергетического компонента,

зуется величиной T_ad = 1400-1500 K (табл.1) при ади-

например, октогена, способного к экзотермическо-

абатическом превращении в отсутствие кислорода.

му превращению в отсутствие кислорода воздуха, и

Таким образом, роль высокоэнергетического ком-

кристаллического полимера с высокомолекулярной

понента, который входит в рецептуру заряда-запол-

структурой, например, полистирола, находящегося

нителя, заключается в том, чтобы на участке траекто-

между внешней и внутренней слоями обшивки.

рии спуска в верхних разреженных слоях атмосферы

В конструкциях обтекателей, изготовленных из

обеспечить достижение величины адиабатической

таких материалов, после инициирования сначала про-

температуры до 1400-1500 K, тем самым способствуя

текает экзотермический процесс термического пре-

102

Трушляков В. И. и др.

вращения смеси октогена с полистиролом, при этом

Лемперт Давид Борисович, к.х.н.,

происходит предварительный прогрев всего матери-

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-0219-1571

ала конструкции обтекателя. Затем при вхождении

Яновский Леонид Самойлович, д.т.н., проф.,

обтекателя в плотные слои атмосферы начинается

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2603-6795

намного более экзотермический процесс горения в

кислороде воздуха всего головного обтекателя, что

должно привести к его полному сгоранию.

Список литературы

При содержании октогена в количестве примерно

[1]

Авдошкин В. В., Аверкиев Н. Ф., Ардашов А. А.

60% в составе заряда-заполнителя, состоящего из

Арсеньев В. Н., Богачёв С. А., Болдырев К. Б.,

октогена и полистирола, адиабатическая температура

Булекбаев Д. А., Грибакин В. А., Дмитриев О. Ю.,

продуктов термопревращения материалов заряда-за-

Елисейкин С. А., Карчин А. Ю., Кубасов И. Ю.,

полнителя достигает 1400 K при движении в безвоз-

Кулешов Ю. В., Маков А. Б., Пирогов С. Ю.,

душном пространстве.

Подрезов В. А., Полуаршинов А. М., Салов В. В.,

При вхождении сжигаемой конструкции в плотные

Силантьев С. Б., Типаев В. В. Проблемные вопро-

слои атмосферы продукты термопревращения мате-

сы использования трасс запусков космических

риала заряда-заполнителя, разогретые до 1400 K, про-

аппаратов и районов падения отделяющихся ча-

должают окисление в кислороде воздуха, дополни-

стей космического назначения. СПб: ВКА имени

тельно инициируя возгорание полимерного материала

А. Ф. Можайского, 2016. С. 44-59.

внешней и внутренней слоев обшивки конструкции

[2]

Lempert D., Trushlyakov V., Zarko V. Estimating the

обтекателя. Температура горения всей системы может

mass of a pyrotechnic mixture for burning the launch

vehicle nose fairing // Combust., Explos. Shock Waves.

достигнуть 2100 K.

2015. V. 51. P. 619-622.

Использование полиэтилена как конструкционного

https://doi.org/10.1134/S0010508215050147

материала в заряде-заполнителе вместо полистирола

[3]

Monogarov K., Trushlyakov V., Zharikov K., Dron M.,

приводит к тому, что на стадии прохождения верхних

Iordan Yu., Davydovich D., Melnikov I., Pivkina A.

слоев атмосферы достигаются существенно более низ-

Utilization of thermite energy for re-entry disruption

кие температуры (1000-1050 K), существенно снижа-

of detachable rocket elements made of composite

ющие способность внешнего и внутреннего слоев об-

polymeric material // Acta Astronaut. 2018. V. 150.

шивок конструкции обтекателя к возгоранию в воздухе.

P. 49-55.

https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2017.11.028

[4]

Rogachev A. S., Mukasyan A. S. Combustion of

Финансирование работы

heterogeneous nanostructural systems (Review) //

Исследования проводились при поддержке гранта

Combust., Explos. Shock Waves. 2010. V. 46. N 3.

Российского научного фонда на реализацию проекта

P. 243-266. https://doi.org/10.1007/s10573-010-0036-2

«Разработка научно-технических основ сжигания

[5]

Sinditskii V. On the combustion mechanism of HMX //

отделяющихся элементов конструкций ракет кос-

Combust., Explos. Shock Waves. 2011. V. 47. N 5.

мического назначения с целью снижения площадей

P. 548-552.

https://doi.org/10.1134/S001050821105008X

районов их падения», Соглашение № 16-19-10091-П,

[6]

Трусов Б. Г. Программная система TERRA для моде-

а также при поддержке ресурсами Института проблем

лирования фазовых и химических равновесий при

химической физики РАН (тема 0089-2019-005, № гос.

высоких температурах // Горение и плазмохимия:

регистрации АААА-А19-119101690058-9).

Материалы III Междунар. симп. Алматы: Изд-во

Казах. нац. ун-та, 2005. С. 52-57.

Конфликт интересов

[7]

Яновский Л. С., Лемперт Д. Б., Разносчиков В. В.,

Аверьков И. С. Оценка эффективности твердых то-

Авторы заявляют об отсутствии конфликта инте-

плив на основе высокоэнтальпийных диспергаторов

ресов, требующего раскрытия в данной статье.

для ракетно-прямоточных двигателей // ЖПХ. 2019.

Т. 92. № 3. С. 71-91.

Информация об авторах

https://doi.org/10.1134/S0044461819030071

[Yanovskii L. S., Lempert D. B., Raznoschikov V. V.,

Трушляков Валерий Иванович, д.т.н., проф.,

Averʹkov I. S. Evaluation of effectiveness of solid fuels

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8444-6880

based on high enthalpy dispersants for rocket ramjet

Жариков Константин Игоревич, к.т.н.,

engines // Russ. J. Appl. Chem. 2019. V. 92. N 3. P. 367-

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4966-1788

388. https://doi.org/10.1134/S1070427219030078 ].