Генерация импульсов давления при истечении реагирующих гетерогенных струй в воздух тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ
|
Силакова, Мария Анатольевна
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2005
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.17
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ХИМИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ им. Н.Н. Семенова
На правах рукописи
СИЛАКОВА Мария Анатольевна
ГЕНЕРАЦИЯ ИМПУЛЬСОВ ДАВЛЕНИЯ ПРИ ИСТЕЧЕНИИ РЕАГИРУЮЩИХ ГЕТЕРОГЕННЫХ СТРУЙ В ВОЗДУХ
01.04.17 - Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Москва - 2005
Работа выполнена в Институте химической физики им. H.H. Семенова РАН
Научный руководитель: доктор физико-математических наук
Борисов A.A.
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук
Набоко И.М. кандидат технических наук Чураев A.B.
Ведущая организация: Институт проблем химической физики РАН
Защита состоится 22 июня 2005 г. В 14 часов на заседании Диссертационного совета Д.002.012.02 при Институте химической физики им. H.H. Семенова РАН по адресу: 119991, Москва, ул. Косыгина д. 4
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИХФ РАН.
Автореферат разослан 21 мая 2005 г.
Ученый секретарь Диссертационного совета
Доктор физико-математических наук Фролов С.М.
М1
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Взрывные волны средней амплитуды достаточно большой длительности являются основным переносчиком импульса и энергии. Существует целый ряд систем, в которых используются эти волны: импульсный детонационный двигатель, промышленные технологии взрывной штамповки и формовки материалов, аварийные взрывы конденсированных систем. Эти волны генерируются интенсивной реакцией энергетического материала, как в самом заряде, так и при смешении богатых горючим продуктов и несгоревшего исходного вещества с воздухом. Использование детонирующих систем в практических устройствах создает технические сложности, связанные, прежде всего, со слишком большими разрушающими давлениями вблизи заряда. В диссертационной работе задача генерации импульсов давления решается методом инжектирования реагирующих струй гетерогенного топлива в воздух. В этом случае быстрое вовлечение в реакцию большого объема образующейся гетерогенной смеси приводит к возникновению переходных режимов, которые не являются детонационными, однако весьма близки к ним по параметрам образующихся взрывных волн. Повышенная плотность и высокие энергетические параметры инжектируемого топлива делают возможным создание более высоких импульсов давления, чем при взрывах газовых смесей. К сожалению, практически не проводились исследования истечения реагирующих гетерогенных струй в воздух с генерацией интенсивных взрывных волн. Поэтому решение поставленной задачи является актуальным для разработки многих практических устройств и для оценки последствий аварийных взрывов.
Цель работы
Цель работы - экспериментальное исследование эффективности различных способов получения взрывных волн с высоким импульсом путем впрыска реагирующего гетерогенного топлива в воздух.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:
1. Анализ различных схем малогабаритных импульсных реактивных двигателей для выбора наиболее целесообразной схемы, обеспечивающей высокое значение импульса тяги.
2. Экспериментальная оценка характеристик волн давления, генерируемых при взрывах богатых горючим энергетических материалов в каналах, включая амплитудные характеристики, импульс, электрические и оптические параметры.
3. Выявление природы процессов, ответственных за генерацию импульсов давления на основании сравнения измерений с результатами численного моделирования.
4. Определение методов оптимизации генераторов импульсов давления.
Научная новизна
1. Впервые предложено использовать волны давления, обладающих высоким импульсом, взрывом богатых горючим энергетических материалов в режиме быстрого конвективного горения. При организации такого режима горения выделяется дополнительная энергия из-за реакции расширяющихся продуктов горения и не полностью сгоревшего материала с воздухом. Показана возможность получения повышенных значений тротилового эквивалента, как по импульсу, так и по давлению при максимальных амплитудах волн, не превышающих нескольких сот атмосфер.
2. Впервые показана возможность получения взрывных волн как альтернатива детонационных процессов в импульсных двигателях, сочетающих принципы ракетного и воздушно-реактивного создания тяги. Продемонстрирована возможность достижения импульса тяги, превышающего 500 с, в
камерах сгорания длиной существенно меньше 1 м при использовании изопропил нитрата в качестве топлива. 3. Оценены излучательные характеристики взрывов энергетических материалов, богатых алюминием для использования подобных систем на практике. Такие системы обеспечивают высокие интенсивность излучения и ионизацию для использования их как рабочее тело в импульсных МГД-генераторах. Кроме того, реагирующее облако продуктов сгорания непрозрачно в течение нескольких миллисекунд для радио- и микроволнового излучения и в течение 100 мс - для оптического излучения, что связано с высокой степенью ионизации продуктов реакции. Практическая значимость
Предложены и разработаны новые методы получения воздушных взрывных волн амплитудой до 50 атм и длительностью до 10 мс, которые в ряде практических задач не только упрощают конструкцию, но и обеспечивают более высокие параметры волн сжатия. Результаты диссертационной работы могут быть использованы при создании новых типов импульсных двигателей, не имеющих предетонаторов, а также при разработке новых типов взрывчатых систем для промышленного применения. Основные результаты, представляемые к защите
1. Результаты экспериментов, показывающие как практическую перспективность нового подхода, так и ожидаемое повышение эффективности от затягивания тепловыделения при генерации волн сжатия в канале и открытом пространстве.
2. Экспериментальный анализ возможных схем генерации импульсов тяги: инициирование быстрых волновых режимов в топливовоздушных смесях при самовоспламенении, зажигании предварительно нагретых смесей струей, инжектировании горячих богатых горючим продуктов реакции в воздух.
3. Результаты экспериментального исследования волновых процессов при истечении продуктов разложения изопропил нитрата и нитрометана в воздух.
4. Результаты экспериментального определения импульса тяги и характеристик работы импульсных устройств, использующих многоструйный режим впрыска реагирующего топлива.
5. Результаты экспериментального исследования взрывных волн, генерируемых в каналах при струйном истечении продуктов конвективного горения смесей твердый окислитель - алюминий.
6. Экспериментальная оценка электрических и излучательных свойств продуктов взрыва смесей твердый окислитель-алюминий.
7. Оценка возможности многократного самовоспламенения изопропил нитрата, подаваемого непрерывным потоком в нагретую камеру сгорания.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на семинарах лаборатории горения гетерогенных систем ИХФ РАН, Москва, 2003-2005; XXVII Академических чтениях по космонавтике, Москва, 2004; Международном коллоквиуме по применению детонации в двигательных установках, С.-Петербург, 2004; Симпозиуме, посвященного 95-летию со дня рождения профессора Е.С. Ще-тинкова, Москва, 2003; Международном коллоквиуме по детонации в ограниченных объемах, Москва, 2002; Международной конференции по новым материалам, Кембридж, 2000. Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 14 работах, включая 10 статей и 4 тезисов докладов на тематических конференциях. Личный вклад автора
Соискательница принимала непосредственное участие в постановке задач, разработке экспериментальных установок и методик исследования, по-
лучении, обработке и анализе полученных экспериментальных данных, а также в подготовке статей и докладов на конференциях. Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения и изложена на 112 страницах, включая 3 таблицы, 56 рисунка и список литературы из 91 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение
Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована проблема, решаемая в работе, дано краткое описание нового подхода к организации волновых процессов при использовании их в практических целях. Предположено, что в ряде случаев волны сжатия, рожденные при переходном процессе, обладают более высокими параметрами, чем стационарная детонационная волна. Глава 1
В разделе 1.1 обсуждаются принципы, схемы и преимущества импульсных детонационных и недетонационных двигателей, а также сформулированы основные проблемы, требующие решения.
В последние годы основным направлением в использовании детонации является исследования применимости ее в импульсных двигателях [1]. Впервые использование детонационного горения в реактивных двигателях было предложено Я.Б. Зельдовичем [2] в 1940 г. Он показал, что двигатели, в которых основным режимом работы является детонационное горение, термодинамически более эффективны, нежели работающие на дефлаграции. Экспериментально Г. Хоффман установил [3], что существует возможность использования детонационного сжигания топлива в периодически генерируемых детонационных волнах для создания реактивной тяги. Более поздние эксперименты, целью которых было выяснение перспективности использования периодической детонации в двигателях летательных аппаратов, показали,
что для получения приемлемых технических характеристик необходимо сжигать топливо с высокой частотой генерации детонационных волн.
Несмотря на такой неутешительный вывод с начала 90-х годов исследования по данной тематике были возобновлены. В работе [4] было показано, что термодинамическая эффективность детонационного цикла превышает эффективность дефлаграционного как в отсутствие, так и при наличии предварительного сжатия топлива. Однако, необходимо разрешить ряд проблем, для применения детонационного сжигания в импульсном двигателе. Эти проблемы в основном связаны с удешевлением и контролем последовательности детонационных циклов в камере сгорания. Действительно, для того, чтобы гарантировать быстрое развитие детонационной волны за короткий промежуток времени необходимо (1) обеспечить поставку воздуха и горючего в течение времени между последовательными импульсами и быстрое смешение струи топлива с воздухом в камере сгорания для создания гомогенной смеси в большей части объема камеры; (2) обеспечить надежное инициирование слабым источником и возникновение режима горения, близкого к детонации, на расстояниях, не превышающих размер камеры сгорания; (3) создать условия для быстрого охлаждения стенок камеры сгорания для того, чтобы ликвидировать преждевременное воспламенение следующей порции топливно-воздушную смеси; (4) разработать оптимальную геометрию камеры сгорания для повышения надежности инициирования и высокой частоты работы; (5) организовать стабильную работу двигателя в переменных условиях движения.
В работах [5, 6] показано, что даже в заранее перемешанной водородо-воздушной смеси при слабом источнике инициирования нестационарные процессы, предшествующие установлению детонации, длятся более 100 мс, и дают возможность получения максимального импульса тяги. При этом оказалось [2,7-9], что величина тяги почти не зависит от направления распространения детонации.
Очевидно, что нет никаких препятствий получать высокую тягу при детонационном сжигании смеси, однако, основной проблемой является инициирование детонации топлнво-воздчшной смеси слабым источником энергии в устройствах ограниченной длины.
Существуют два основных подхода к инициированию топливо-воздушной смеси (TBC): (1) прямое инициирование сильными источниками инициирования (до 1 МДж/м2), то есть быстрым выделением энергии в точке, которое приводит к возникновению сильной ударной волны (УВ) с амплитудой, достаточной для первпчного разогрева исходной TBC за фронтом УВ; (2) переход горения в детонацию. Оба способа без специальных методов не могут считаться осуществимыми в реальных установках из-за слишком больших энергий прямого инициирования и слишком длинных преддетонационых расстояний при переходе горения в детонацию.
Один из возможных подходов к снижению энергии возбуждения детонации - использование идеи об ускорении ударных волн, распространяющихся по среде с градиентом задержки воспламенения, за счет их подпитки энергией от реакции [10].
Другой способ инициирования детонации - традиционный переход горения в детонацию, оптимизированный различными способами: использованием оптимальной конструкцией камеры сгорания и спирали Щелкина. Однако, как показано в [II] для керосино-воздушных смесей, а это наиболее перспективные смеси для реальный импульсных двигателей, без мощного источника энергии такой переход в пределах реальных камер сгорания практически невозможен. В связи с этим наиболее популярным способом инициирования детонации в настоящее временя является предетонатор. В предетонаторе обычно используется более детонационно-способная смесь, чем воздушная. При этом детонационная волна, возбуждаемая от слабого источника способна вызвать детонацию в основной камере, а расход дополнительных компонентов должен быть минимальным.
В качестве еще одной предпосылки к постановке задачи об альтернативном подходе к организации процессов в импульсных двигателях являются теоретические оценки, приведенные в работе [12]. Показано, что существует возможность создания новых импульсных двигателей, которые сочетают в себе черты как воздушного реактивного двигателя, так и двигателя на твердом ракетном топливе (ТРТ). Это возможно, если в качестве топлива будет использовано жидкое монотопливо с сильно отрицательным кислородным балансом. В этом случае тяга будет создаваться как за счет реакции жидкого монотоплива, происходящей в инжекторе, так и за счет реакции горячих продуктов горения этого монотоплива с воздухом в камере сгорания. Преимущества такой организации процесса: (1) более высокие энергетические характеристики, следовательно, и ожидаемый удельный импульс, по сравнению с обычными ТРТ; (2) создание высокого давления в камере сгорания без турбокомпрессора; (3) организация детонационноподобного режима в камере сгорания, при котором ожидается существенное увеличение тяги; (4) в отличие от получивших распространение схем импульсных детонационных двигателей [13], значительно легче решается проблема инициирования процесса в камере сгорания, например, самовоспламенением монотоплива в нагретом инжекторе, (5) отсутствует необходимость создания заранее перемешанной смеси топлива с окислителем в объеме камеры.
В разделе 1.2 рассматривается метод получения волн высокой амплитуды, сопоставимой с параметрами детонационных волн, использующий градиент задержки воспламенения. Нагрев смеси до температур, близких к температуре воспламенения, может создать условия для ее быстрого воспламенения за слабыми ударными волнами, генерируемыми пламенем. Как показано в работе [13], в поле с переменным градиентом температур при инициировании достаточно реакционноспособной смеси водород-кислород с помощью впрысков струй горячего азота (температура струи равна 1500 К), выход на стационарный режим Чепмена-Жуге осуществляется вне области
разогрева на расстояниях превышающих один метр. В случае инициирования равномерно прогретой стехиометрической пропановоздушной смеси, заполняющей камеру сгорания, впрыском горячих продуктов реакции такой же смеси из присоединенного инжектора меньшего объема (рис. 1), отделенного от камеры сгорания мембраной, были созданы благоприятные условия для возникновения детонационноподобного процесса при температуре 950 К.
Как показывает численное моделирование, истечение предварительно разогретой гетерогенной смеси, богатой горючим, в воздух может Рис. 1. Впрыск горячих продуктов из инжектора в равномерно прогретую смесь, генерировать интенсивные волны
заполняющую камеру сгорания. 1 - камера поддерживаемые реакци-
сгорания; 2 - инжектор; 3 - струя с
продуктов; 4 - смесь пропан-воздух; 5 - ей. При этом выделение энергии печь; б - прогретая смесь пропан-воздух.
происходит как в ходе реакции самого монотоплива, так и при подмешивании воздуха, который выступает в качестве дополнительного окислителя. Численные расчеты были проведены для изопропил нитрата (ИПН) с капелями диаметром 25 мкм в качестве монотоплива, или нитрометана (НМ) (диаметр капель 25 мкм) с 10%-ой добавкой частиц алюминия, диаметром 3 мкм. В результате было обнаружено [14], что реагирует только некоторая часть заряда, формируя при этом довольно сильную ударную волну амплитудой волны до 25-30 атм.
Как показывают результаты расчетов детонации смесей пропилен-воздух и водород-кислород [13, 14], единичные импульсы предварительно перемешанных топливовоздушных смесей значительно превосходят импульсы, получаемые при впрыске гетерогенных смесей (1700 и 4200 с соответственно) из-за разности в удельных теплотах сгорания этих топлив. Поэтому для получения высоких единичных импульсов при гетерогенном впрыске был проведен поиск оптимальных вариантов организации процесса наиболее эффективного смешения истекающих продуктов с воздухом. Это может быть достигнуто путем добавления соответствующих приспособлений,
11
достигнуто путем добавления соответствующих приспособлений, которые не позволяли бы сформироваться компактной струе. Для этого, во-первых, можно разделить струю, впрыскиваемую с торца, путем размещения внутри камеры сгорания соосных вложенных трубок [13]. Во-вторых, возможно использование вместо торцевого впрыска поперечный, который осуществляется с боковой поверхности камеры сгорания из нескольких инжекторов, размещенных или перпендикулярно, или под некоторым углом к оси камеры. Такая конфигурация установки обеспечивает формирование струи с большой поверхностью соприкосновения. В-третьих, для улучшения смешения при впрыске TBC в объем трубы можно использовать инжектор в виде перфорированной трубки с большим количеством кольцевых отверстий для равномерного распределения топлива по камере, направленный на закрытый торец трубы [13]. Наиболее многообещающей методикой по сравнению с одноин-жекгорным торцевым впрыском для получения заданных волн сжатия при выбранном подходе представляется использование много струйного впрыска, реализованного с использованием перфорированной трубки.
На результате результатов расчетов предложены следующие рекомендации: (1) реагирующее монотопливо или смесь, содержащая окислитель, впрыскивается б камеру сгорания б виде множества струй обладающих значительной поверхностью; (2) организуется интенсивное подмешивание воздуха с образованием реагирующей гетерогенной смеси; (3) вовлечение в реакцию всей смеси, образующаяся в камере сгорания.
К сожалению, экспериментальных исследований возможности реализации вышеизложенных подходов к «мягкому» возбуждению детонации или режимов ударных волн, поддерживаемых реакцией, нет. В связи с этим основной задачей настоящей работы была экспериментальная проверка результатов расчетов процесса возбуждения сильных волн давления в камере сгорания с использованием предварительно нагретых смесей, которые либо
самовоспламеняются, либо зажигаются струей из форкамеры, и процесса инжектирования струи частично прореагировавшего монотоплива в воздух.
В разделе 1.3 акцент сделан на возможности использования получаемых волн сжатия в других целях, что демонстрирует универсальность подхода для ряда практических применений, не связанных с импульсными двигателями. Подобные процессы можно также использовать для дробления пород в горнодобывающей промышленности; в импульсных магнитогидродинами-ческих генераторах для создания высокоскоростных импульсных потоков с высокой температурой и степенью ионизации [15, 16, 17]; для проведения работ в нефтяной промышленности; для морской и наземной сейсморазведки; для проведения операций по ликвидации ледяных заторов на больших площадях; для разработки технологий по обработке материалов, например, штамповки изделий взрывом [18, 19], т.е. везде, где требуется значительные длительность и импульс волны сжатия. При этом возможно получение волн сжатия не только в канала, но и в неограниченном объеме. Для подобных применений в качестве смеси целесообразно выбрать более энергоемкие композиции на основе алюминия в качестве горючего и твердого окислителя. При этом в отличие от импульсных двигателей отпадает необходимость в прокачке топлива и в импульсной подаче. При использовании же конденсированных композиций на основе порошков горючего и окислителя, при условии однократного срабатывания зарядов, все стадии процесса получения волн сжатия с затянутым энерговыделением принципиально ничем не будут отличаться, за исключением невозможности использования при инжектировании струй подобных реагирующих смесей различных увеличивающих поверхность контакта с воздухом приспособлений это обусловлено, во-первых, большей плотности струи, и, во-вторых, большого числа конденсированных продуктов, закупоривающих каналы, то есть различные трубки и флейты неприменимы. Однако, увеличить степень смешения можно посредством порционного высокоскоростного выброса частей смеси.
Проводя оценки последствий взрывов необходимо иметь в виду, что разрушающее воздействие внутри и снаружи облака различно [20]: снаружи облака воздействие - механическое, а внутри еще и тепловое. Механическое разрушение определяется импульсом фазы сжатия ударной волны и ее амплитудой. Для оценки разрушающего воздействия мощных взрывных волн используется понятие тротилового эквивалента [21, 22], под которым подразумевается отношение энергии заряда тротила и энергии взрыва, обеспечивающих получение одних и тех же параметров воздушной УВ, по давлению и по импульсу (длительности УВ). Следует отметить, что амплитуда волны от таких зарядов на одинаковых расстояниях при одинаковых массах ожидается ниже, чем у тротила, но выше TBC, так как теплота сгорания гетерогенных смесей по отношению к газовой смеси ниже, и выше по отношению к тротилу.
Металлосодержащие энергетические материалы, обладающие высоким тротиловым эквивалентом, способны производить ионизированные высокотемпературные продукты сгорания, которые могут быть использованы, например, как рабочее тело импульсных МГД-генераторов [15]. Вовлечение расширяющихся богатых горючим продуктов реакции конденсированной фазы в реакцию с воздухом - сложный процесс, который требует экспериментального исследования. Поэтому в работе изучались параметры волн давления, генерируемых как при чисто струевом истечении продуктов так и при взрывном реагировании зарядов в слабых оболочках.
Глава 2
В этой главе основное внимание уделено исследованию возможности получения взрывных волн, близких по характеристикам к детонационным, для импульсного двигателя. Целью этих исследований является апробирование различных подходов к реализации идеи использования взрывных процессов в камере сгорания и оценке эффективности двигателя, работающего по этому принципу.
Работа была проведена в несколько этапов, на каждом из которых были опробованы различные методики получения взрывных волн в каналах, соответствующих по геометрии возможным реальным камерам сгорания детонационных двигателей. Длина канала составляла 15-20 калибров при внутреннем диаметре от 50 до 100 мм.
Наиболее простым и многообещающим методом получения взрывной волны, как было показано выше, является процесс перехода горения в детонацию. Однако, известно, что дистанция перехода горения в детонацию составляет порядка 100 калибров в гладких трубах, но это расстояние возможно снизить, используя препятствия и каналы с шероховатыми стенками. В любом случае для реального двигателя участок перехода слишком длинный. Поэтому была проведена попытка сократить преддетонационный участок, прогревая смесь до температуры близкой к температуре самовоспламенения в процессе напуска в камеру сгорания. Были созданы две экспериментальные установки для исследования гомогенных смесей углеводородов с воздухом и гетерогенных смесей капель жидкого топлива с воздухом.
Принцип работы установки заключается в следующем: TBC напускается с холодного торца закрытой трубы длиной 2 м. Противоположный торец трубы при помощи электрической печки нагревается до температуры выше температуры воспламенения смеси. Ввиду того, что металлическая труба обладает значительной теплопроводностью, смесь приобретает в процессе напуска градиент температуры от комнатной до температуры самовоспламенения. При воспламенении смеси фронт горения распространяется в обратном направлении, формируя волну сжатия. Скорость волны измеряется датчиками давления, а положение зоны реакции фиксируется относительно ведущей волны при помощи ионизационных зондов. В случае напуска газовой TBC, холодный конец трубы соединен с баллоном, содержащим смесь при повышенном давлении при помощи электроклапана, сообщающего оба объема на время, необходимое для напуска заданного количества смеси
(см. рис. 2). В случае исследования распыла жидкого топлива для создания и напуска TBC используется другая конструкция. Жидкое топливо заливалось в закрытый с обеих сторон разрывающимися мембранами цилиндрический канал, помещенный между ударной трубой и секцией, содержащей TBC при повышенном давлении. При воспламенении смеси в этой секции продукты реакции инжектируются в ударную трубу, увлекая за собой и распыляя исследуемое жидкое топливо.
Рис. 2.1 - электрический нагреватель; 2 Рис. 3. Установка для исследования перехода - термоизоляция; 3 - термопара; 4 - горения в детонацию при самовоспламенении смесь пропан-воздух; 5 -электромагнитный клапан; б -ионизационный зонд; 7 -регистратор; 8-датчик давления. Опыты с впрыском гомогенной
смеси пропана и воздуха показали, что в подобной постановке возможно получение быстрого волнового режима. В области наименее прогретой
последней порции газа были зафик- . _
т Рис. 4. Записи давления в последней порции
сированы волны, распространяю- TBC. Смесь: 4.7%C3Hs+23.8%02+71.5%N2;
начальное давление 0.5 ата; температура
щееся со скоростями ДО 1100 м/с стенок нагретой части трубы ИЗО К;
. _ скорость волны 1100 м/с.
(рис. 4). Параметры этих волн достаточно низки, что объясняется длительным временем, необходимым для напуска смеси, за которое последняя порция смеси оказывается разбавленной продуктами частичного окисления. Ясно, что при таком подходе возникает противоречие между временем напуска смеси и задержками воспламенения.
распылов жидких топлив.
fr
f» Л
1 г
Г
4 1 4,2 4 3 4 ,4 4 t,» 5 4 1С 6 4 7 4 8 4,9
Действительно, невозможно улучшить прогрев смеси, не подняв температуру стенок трубы, а это ведет к воспламенению смеси с меньшими задержками, порядка миллисекунд, за которые невозможно прогреть большую часть смеси.
При распылении жидкого топлива, керосина и низкооктанового бензина, картина иная. Волны распространяются с крайне низкими скоростями до 700 м/с. При этом зона энерговыделения значительно отстает от ведущего фронта УВ. Это объясняется высокими теплопотерями на испарение капель жидкого топлива.
Проведенные опыты привели к важному выводу: для обеспечения возникновения детонационноподобного режима необходимо предварительно прогреть смесь. Наиболее простым способом обеспечить такой прогрев является частичное сжигание топлива при напуске или продувка жидкого топлива высокотемпературными продуктами сгорания. Поэтому следующей стадией исследования была проверка этого предположения.
Были проведены опыты, при которых керосин, помещенный в инжектор (рис. 5), прогревался и впрыскивался в трубу с диаметром, увеличенным для лучшего смешения с воздухом до 120 мм, продуктами сгорания небольшой пороховой навески. В этих опытах регистрировалась эволюция профиля и скорость волны вдоль канала датчиками давления на четырех базах. Опыты показали, что даже при значительном увеличении массы пороховой навески (порядка массы распыляемого керосина) скорость волны не повышает 600 м/с. Это объясняется как достаточно медленной реакцией керосина с воздухом, так и недостаточной температурой топлива, из-за чего при впрыске значительная доля горючего находится в жидкой фазе. Тем не менее, опыты пока-
Рис. 5. Экспериментальная установка предназначенная для исследования волновых режимов при впрыске прогретого жидкого топлива в воздух.
зывают, что рождение волны сжатия возможно даже в случае, когда канал не прогревается.
Это подводит к следующему шагу исследования. Он заключается в идее использовать реагирующее при впрыске монотопливо (изопропил нитрат или нитрометан). Действительно, для реального двигателя гораздо предпочтительнее иметь одно топливо, которое само себя разогревает при впрыске.
Для проверки такого вывода были проведены опыты, в которых в трубу впрыскивалось частично реагирующее монотопливо. Инжектор заполнялся 3.5 - 8 мл нитрометана и воспламенялся капсюлем МБ. Для получения наиболее высоких параметров волн сжатия использовались инжекторы различной геометрии. Так в случае использования инжектора, у которого отношение калибра к длине составляло 1/12-1/8 на расстоянии 0.5 м от заряда были получены волны сжатия амплитудой до 30 атм и скоростью распространения до 1400 м/с. Однако, следует иметь в виду, что в этом случае не удавалось получать стехиометрической смеси с воздухом, т.е. смесь в канале была бедной из-за особенностей истечения струи реагирующего топлива из инжектора. Параметры волн, очевидно, могут быть увеличены. В то же время работа реального двигателя на одном монотопливе неприемлема. Поэтому была проведена проверка возможности получения быстрого волнового процесса при добавлении керосина в струю реагирующего монотоплива. Для этого перед инжектором помещался керосин, залитый в трубку, закрытую с одного конца мембраной, а другим прилегающую к инжектору. Эти опыты показали, что даже при незначительной доле нитрометана в канале возникает переходный процесс. Еще большее снижение такой добавки возможно при повышении общей энергоемкости смеси путем добавления в топливо частиц алюминия. Опыты показали, что в случае смеси НМ+керосин+А1 волновые режимы возникают, однако, параметры волн не высоки. Низкие параметры объясняются длительными задержками при вступлении частиц в реакцию, то есть частицы теряют время на срыв окисной пленки, разгон в потоке, разделение и газифи-
кацию. Поэтому, хотя эта идея и заманчива для импульсного двигателя, она не подходит из-за необходимости сжигать металлосодержащую смесь при повышенном давлении, так как невозможно обеспечить возникновение быстрых волновых режимов за малые времена сгорания частиц и при низких задержках воспламенения. Но обеспечить детонационный режим возможно при конвективном сгорании смесей, содержащих металлическое горючее и окислитель, в инжекторе. Опыты с такими зарядами рассматриваются в следующей главе.
Проведенные исследования дали положительный ответ на вопрос о возможности получения волн сжатия при частичном реагировании впрыскиваемого в канал топлива. Однако, чтобы такие схемы использовать на практике, необходимо также показать возможность непрерывного цикла подачи смеси в инжектор и последующего воспламенения. Такое условие может быть выполнено при подаче монотоплива в инжектор, прогретый до температуры его самовоспламенения. Для проверки этой схемы были проведены опыты, при которых НМ или ИПН в количестве до 3 мл впрыскивались в инжектор, разогретый электропечью до 420-430°С. Инжектор закрывался разрушаемой при росте давления в самовоспламеняющемся топливе мембраной. В этих опытах были зафиксированы волновые режимы со следующими параметрами: максимальная скорость волны сжатия 1060 м/с, амплитуда до 15 атм. Однако такие установки все еще весьма далеки от прототипов реальных импульсных устройств, ввиду того, что для роста давления в инжекторе необходима «многоразовая» мембрана. Чтобы решить эту проблему были проведены опыты, в которых инжектор был снабжен форсажным соплом при сохранении общей постановки эксперимента. Были созданы несколько модификаций такого инжектора (рис. 6).
Все они объединены общим принципом работы: подаваемое постоянным избыточным давлением сквозь капилляр в нагретую камеру монотопливо, нитрометан или изопропил нитрат, воспламеняются, и истекает через фор-
сажное сопло, одновременно запирая капилляр. Затем, при падении давления, топливо вновь начинает поступать в камеру сгорания. Таким образом, обеспечивается многотактный режим работы инжектора. Опыты показали работоспособность подобных схем. В частности удалось добиться устойчивой работы инжекторов на частоте от 15 до 60 Гц.
Таким образом, получен ответ на принципиальный вопрос о возможности организации нужного процесса. Следующим вопросом, на который следует ответить, является оценка эффективности такого устройства. На процесс формирования волны сжатия влияет характер истечения реагирующего топлива и его последующее смешение с воздухом. Поэтому в соответствии с численным моделированием [11] были опробованы различные схемы истечения топлива как одно-струйные, так и много струйные, в которых использовались специальные насадки на сопло, позволяющие разделить струю на несколько более мелких, но обладающих большей поверхностью контакта с воздухом и образующих многочисленные вихри, способствующие лучшему смешению. Очевидно, что одномоментное вовлечение в реакцию большего количества смеси, образованной в результате лучшего смешения в случае много струйного истечения, позволяет ожидать более мощных волновых процессов.
Поэтому для сравнения эффективности различных устройств определялся удельный импульс тяги посредством известной техники баллистического маятника.
Рис. 6. Различные конструкции инжекторов допускающих многократный режим работы.
В качестве реперной точки был проведен опыт по измерению удельного импульса тяги при инициировании стехиометри-ческой гомогенной смеси пропилен-воздух. Измеренные значения удельного импульса находятся в диапазоне 15001700 с, что хорошо согласуется с расчетными данными для таких систем. Подобный разброс значений удельного импульса объясняется небольшой длиной канала, из-за чего не может развиться полноценная детонация.
Прежде чем приступить к оценке эффективности гетерогенных смесей на основе ИПН и НМ был выяснен максимальный импульс, который может быть получен при использовании ИПН. Для этого труба заполнялась парами ИПН, имеющего довольно высокое давление насыщенных паров при нормальных условиях (Р = 31 мм.рт.ст.). Измеренный удельный импульс составил 730 с при скорости волны сжатия в 1500 м/с. Здесь следует отметить, что любое количество ИПН, способное испариться в нормальных условиях в канале никогда не даст стехиометрической смеси с воздухом, т.е. смесь заведомо была бедной. При повышенных начальных температурах ожидается более высокая эффективность.
Вначале были проведены опыты по измерению импульса тяги при использовании инжекторов, снабженных простым распределителем струи -перфорированной трубкой. Однако возникает вопрос - как будет влиять на эффективность устройства направление истечения реагирующей смеси. Поэтому опыты проводились при инжектировании смеси как от закрытого, так и
\ 1
.....;.......\...............|..............
\ \
а
Рис. 7. Установка для измерения удельного импульса, а - впрыск от закрытого торца канала, 6 - впрыск от открытого торца.
от открытого танца камеры сгорания (см. рис. 7). В результате оказалось, что при впрыске от открытого торца импульс составляет 442 с против 282 с для случая впрыска от закрытого торца канала. Это означает, что часть топлива в последнем случае просто вылетает из канала, не успев смешаться с воздухом и прореагировать. Поэтому чтобы повысить эффективность были разработаны насадки на сопло способствующие более равномерному распределению реагирующего топлива вдоль канала. Например, была опробована насадка в виде сужающейся по мере удаления от инжектора перфорированной трубки длиной 0.5 м. В этом случае импульс тяги составил 460 с, что подтвердило необходимость улучшать смешение с воздухом и снижать потери на не прореагировавшее топливо. Но наиболее высокий результат по удельному импульсу (499 с) был получен в случае использования для распределения струи реагирующего топлива четырех соосных с соплом трубок меньшего диаметра, но различной длины. В этом случае вдоль канала образуются несколько зон с интенсивным вихреобразованием и смешением. Скорость волны сжатия составила 1332 м/с. Таким образом, предлагаемая схема организации процесс может обеспечить чрезвычайно простую конструкцию камеры сгорания. Но, пожалуй, главное ее достоинство - возможность эффективного генерирования импульса тяги в очень коротких камерах. Опыты, проведенные в камере длиной 60 см, показали удельный импульс 511с.
Остается нерешенным один практический вопрос: откуда взять энергию для прогрева камеры сгорания инжектора? Действительно ИДД не подразумевает использования мощных источников электропитания, однако проблема может быть легко решена при условии инициирования капель того же монотоплива слабой искрой. Была проведена проверка такого подхода. Капля нит-рометана объемом 10-20 мкл помещалась в небольшую форкамеру снабженную электродами, через которую разряжался конденсатор. Напряжение пробоя составляло 3-6 кВ, а энергия разряда 5-20 Дж. Опыты показали, что при определенной форме форкамеры легко добиться инициирования капли с
образованием большого количества раскаленных продуктов, распространяющихся на выходе из сопла со скоростями до 1500 м/с. Эти продукты могут быть направлены как на воспламенение монотоплива в камере сгорания инжектора, так и на прогрев последнего. Приблизительная оценка показывает, что таким способом можно увеличить инициирующий импульс в 5-10 раз.
Глава 3
Как было сказано выше, при неполном сжигании смеси металлического горючего и твердого окислителя в конвективном режиме с последующим истечением в воздух возможно формирование волн высокой интенсивности длительностью в нескольких миллисекунд. При смешении с воздухом гетерогенная взрывчатая система должна обладать повышенной в сравнении с газовыми смесями энергоемкостью и может быть использована для получения мощных волн сжатия.
Для проверки этого предположения были проведены эксперименты по оценке эффективности зарядов различного типа в сравнении с тротилом, а также поиск основных факторов, влияющих на параметры волн сжатия.
В цилиндрический инжектор с прочной или слабой разрывающейся оболочкой помещали богатую металлическим горючим смесь. Смесь порошкообразного алюминия марки ПА.П-2 с характерным размером частицы 1x10x10 мкм и окислителя (ПХА 100 мкм) была смочена керосином или НМ для уменьшения пористости, и, как следствие, возможного перехода конвективного горения в детонацию. Смесь воспламенялась либо от одного из концов заряда навеской дымного пороха, либо продуктами сгорания стехиомет-рической смеси алюминия и ПХА в металлической перфорированной трубке-флейте для насыщения смеси газообразными продуктами, способствующими диспергированию частиц. По достижении определенного давления разрывалась мембрана или оболочка инжектора, и реагирующая смесь впрыскивалась в ударную трубу калибром 120 мм и длиной в 6 м. Продолжая реагировать, смесь смешивалась с воздухом, образуя гетерогенную TBC, в которой гради-
енты температуры и плотности способствовали формированию волн сжатия. Эволюции этих волн фиксировались датчиками давления, размещенными вдоль ударной трубы. Различные конструкции зарядов позволяли варьировать скорость давление и температуру инжектируемой смеси, а также степень и скорость смешения с воздухом.
Опыты показали, что наибольшие амплитуды волн сжатия, превышающие амплитуды ударных волн при взрыве заряда тротила, фиксируются в случае достаточно медленного впрыска (за время порядка 10 мс) реагирующей смеси из сопла, относящегося к калибру ударной трубы как 1/10. На рис. 8 показаны зависимости максимальной амплитуды заряда от расстояния, в котором организовано порционное истечение четырех навесок смеси, в сравнении с зарядами тротила массой 50 и 100 г, а также в сравнении с расчетными значениями амплитуд ударной волны от источника с той же энергией, что и исследуемый заряд, полученными при помощи известной формулы Коробейникова для точечного взрыва в плоской геометрии. Видно, что на некотором расстоянии от заряда амплитуды волны сжатия реагирующей гетерогенной TBC превышают не только давления в волне от тротила, но и даже амплитуды при точечном взрыве. Это объясняется перераспределением энергии заряда в зону наиболее эффективного смешения с воздухом. Если же взглянуть на сравнительные зависимости импульса волны сжатия от расстояния (рис. 9) видно, что детонационноподобные волны при взрыве гетерогенных TBC выгоднее в практически важном диапазоне импульсов, чем тротил. Тротиловые эквиваленты для наиболее удачных зарядов составили до 10 по импульсу и до 2 по давлению. Очевидно, что ключевые роли в повышении эффективности подобных процессов играют степень и интенсивность смешения гетерогенного горючего с воздухом, а также внутренняя баллистика заряда, обеспечивающая требуемые условия истечения.
Интересно, что подобные системы обладают также и некоторыми дополнительными свойствами. Измерения удельной проводимости, и излучающей
способности реагирующей гетерогенной смеси показывают высокую яркость и высокую проводимость (на уровне 1 ООО См/м). Термопарные измерения показали, что на расстоянии, вне огненного шара вблизи его границы поверхность нагревается излучением до температуры 180°С. Вкупе с высокой массовой скоростью продуктов реакции такие свойства гетерогенных реагирующих смесей допускают их использование в качестве рабочего тела импульсных МГД-генераторов и источников оптического и инфракрасного излучения повышенной яркости.
™ТччвЧ1Шв **рШ IV. У'о^^йичюи
ЮтТИТ - ЮогТИТ Л1(1) г) ♦ 11\ Л (I» 9 О . ИМ 1С 7 щ>
Е 0.09
? 0.08
а' ч.»7
£ о.об
а о,о5 = 0.0-1
1 °'0' Й 0.02 О.01
о
-)0гТ1ТГ
' ЛЦ31]1).11Х\(12
