Разработка базальто-волокнистого теплоизоляционного композиционного материала с эндотермической керамической матрицей для защиты боевых частей ракетно-торпедного вооружения

Актуальность проблемы

В отечественном подводном флоте наиболее частой причиной аварий с гибелью личного состава следует признать пожар на борту. Из представленных в открытых для публикации данных 69 катастроф в 16 (около 23,2%) случаях причиной аварии было возгорание. Сопоставимой с пожаром причиной является взрыв на борту — 14 случаев (20,3%). Прочие технические неисправности приводили к гибели людей 12 раз (17,4%). По 11 раз (15,9%) причинами катастроф становились столкновения или поступления воды в прочный корпус. В двух случаях (2,9%) причиной гибели людей стали аварии реактора. Причины трех аварий (4,3%) отечественных субмарин не установлены.

Существующие системы пожаротушения (Лодочная объёмная химическая защита, пенообразователи, клинкерные системы) должны обеспечить локализацию и тушение пожара в течении 15 минут.

 

Разработка систем теплозащиты боевого зарядного отделения (БЗО)

В случае возникновения пожара на подводной лодке в БЧ-2 и БЧ-3 (боевые части ракетно-артиллерийского и минно-торпедного вооружения), наиболее уязвимым элементом вооружения является боевое зарядное отделение, в котором находится заряд взрывчатого вещества повышенного могущества.

Как показал анализ физических свойств основных взрывчатых веществ применяемых для снаряжения зарядов ракетно-торпедного вооружения критическим является нагрев выше температуры 1800С.

 

Наименование ВВ Состав ВВ Т0С макс нагрева Т0С вспышки
1 A-IX-2 гексоген 73 %, алюминий 23%, воск 4% 180 207
2 Морская смесь МС гексоген 57%, тротил 19%, алюминий 17%, церезин 7% 182 210
3 Морская смесь МС-2 гексоген 46,8%, тротил 21%, алюминий 27%, церезин 5,2% 182 210
4 Тротил ТНТ тротил 100% 210 290
5 Окфол октоген 95%,  воск 5% 210 290

 

 

 

 

 

Основные требования предъявляемые к композиционному материалу теплозащиты БЗО:

  • Обеспечение термобарьерных свойств при температуре воздействия 8000С в течении 15 минут при условии нагрева защищаемой стороны не выше 1800С;
  • Толщина стенки композиционного материала теплозащиты не более 10 мм;
  • Отсутствие взрывчатых и отравляющих газообразных продуктов при термическом воздействии на композиционный материал теплозащиты БЗО;
  • Длительный срок хранения композиционного материала с сохранением основных теплозащитных характеристик;
  • Технологичность изготовления композиционного материала теплозащиты БЗО;
  • Экономическая целесообразность ценообразования.

Основы проектирования теплоизоляционного композиционного материала «КБ-ПАН»

  • Для реализации заданных теплоизоляционных свойств композитного материала был выбран принцип активной теплозащиты ( химического холодильника);
  • Принцип «химического холодильника» основан на эффекте протекания эндотермических реакций химических соединений входящих в состав связующего на неорганической основе;
  • Концентрация химических соединений составляющих основу эндотермических добавок рассчитывается от поставленной задачи по обеспечению необходимого уровня теплозащиты за счёт объёма поглощаемого тепла при протекании эндотермических реакций:
  • MgCO3(60 гр/моль)=MgO + CO2 ( 500-5500С, Q=102 kJ/mole) Воздух
  • CaCO3(76 гр/моль)=CaO + CO2 ( 800 – 10000C, Q=130 kJ/mole) 175 кДж. Воздух
  • SrCO3(124 гр/моль)=SrO + CO2 ( 1300 – 13500C, Q=183 kJ/mole) Воздух
  • При выборе доли химического соединения в добавке, также учитывается температура начала протекания эндотермической реакции химического соединения.

Испытания теплоизоляционных свойств базальто-волокнистого теплоизоляционного композиционного материала с эндотермической керамической матрицей марки КБ-ПАН 0611

  • Испытания проводились на разработанном стенде, обеспечивающим контроль температуры нагрева композиционной панели как со стороны источника тепла, так и с тыльной стороны образцов, обеспечивая при этом хронометраж изменения температуры во времени;
  • Для измерения температур были использованы поверенные термопары, оперативный контроль проводился пирометром;
  • Для проведения испытаний были подготовлены прямоугольные образцы размером 250 х 250 мм толщиной 8 мм;
  • Нагрев осуществлялся открытой газовой горелкой до температуры 800-8500С.

 

 

 

Анализ результатов испытаний теплоизоляционных свойств базальто-волокнистого теплоизоляционного композиционного материала с эндотермической керамической матрицей марки КБ-ПАН 0611 толщиной 8 мм

  • В целях сопоставления стабильности результатов, испытаниям было подвергнуто три образца;
  • Практическое совпадение полученных графиков на разных образцах подтверждает протекание теплофизических и химических процессов при нагреве по единому механизму;
  • Начиная со второй минуты эксперимента температура на поверхности 1 и 2 образцов достигала 8000С, для 3 образца температура была повышена до 8500С;
  • Начиная с 4 минуты эксперимента на тыльной поверхности образцов образовалась температурная площадка с температурой от 800С до 1000С с длительностью в 10 минут. Данный эффект обусловлен активными процессами протекания эндотермических реакций в теле композита. Дальнейший рост температуру начал происходить после 13-14 минуты эксперимента;
  • По окончании 15 минут воздействия высокотемпературного источника температура с тыльной стороны образцов не превысила 1800С;
  • По истечении 18 минут нагрева температура была понижена до 4000С, температура с тыльной стороны образцов упала до 1400С и была стабильна в течении всего эксперимента, который продолжался далее в течении 8 часов. Данная стабильность температуры обусловлена сформированной в результате нагрева структуры образцов, обеспечивающих достаточный уровень теплоизоляции.

 

Технологические аспекты изготовления базальто-волокнистого теплоизоляционного композиционного материала с эндотермической керамической матрицей марки КБ-ПАН 0611

  • Для изготовления теплоизоляционного композиционного материала разработан и изготовлен специализированный станок обеспечивающий изготовление как плоских, так и цилиндрических образцов с толщиной от 6 до 40 мм;
  • Для механической обработки полученного материала разработаны оснастка и технологические режимы, позволяющие после обработки получать массивы из композиционного материла через соединение встык с проклейкой неорганическим связующим;
  • Отработанная технология позволяет получать композиционные панели и обечайки с точностью -/+ 0,4 мм, что позволяет при разработке конструкции боевого зарядного отсека учитывать использование теплоизоляционного композиционного материала с указанным допуском.

Базальто-волокнистый многослойный теплоизоляционный композиционный материал с эндотермической керамической матрицей «КБ-ПАН 0611»

1-корпус отсека,

2- корпус камеры,

3- состав №1,

4- состав №2,

5- защитная обечайка,

6-ТЗП

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Этапы выполнения работ по квартально:

  • Разработка и изготовление испытательного стенда по определению теплофизических свойств композиционных материалов с эндотермической керамической матрицей (Стоимость работ по этапу 5 млн. руб.);
  • Разработка технологического модуля по изготовлению элементов активной теплозащиты в интересах предприятий ОПК (Стоимость работ по этапу 1 млн. руб.);;
  • Изготовление автоматизированного технологического модуля для мелкосерийного изготовления в интересах заказчика изделий теплозащиты (Стоимость работ по этапу 15 млн. руб.);;
  • Оптимизация и экспериментальное подтверждение состава и структуры теплозащитного композиционного материала с эндотермической керамической матрицей (Стоимость работ по этапу 3 млн. руб.);;
  • Итого срок выполнения работ 12 месяцев при финансировании 24 млн. руб.
  • Изготовление опытных партий элементов защиты в интересах предприятий ОПК ( Работы выполняются за счет средств Заказчиков).

 

Выводы:

  • Разработанный базальто-волокнистого теплоизоляционного композиционного материала с эндотермической керамической матрицей КБ-ПАН 0611 по своим техническим характеристикам может быть использован при разработке конструкции боевого зарядного отделения ракетно-торпедного вооружения;
  • Использование композиционного материала КБ-ПАН 0611 позволит избежать подрыва боеприпаса в течении 15 минут в случае пожара и при нагреве поверхности боеприпаса до 8000С;
  • В зависимости от толщины теплоизоляционного композиционного материала можно варьировать время температурной выдержки в диапазоне 80-1000С на тыльной стороне при внешнем нагреве от 8000С до 11000С за полноты протекающих эндотермических реакции;
  • Технологичность изготовления и возможность последующей механической обработки позволяет отрабатывать массив теплоизоляционного композиционного материала под конкретную конструкцию боевого зарядного отделения.
Разработка базальто-волокнистого теплоизоляционного композиционного материала с эндотермической керамической матрицей для защиты боевых частей ракетно-торпедного вооружения