Влияние дисперсности порошка алюминия на процессы зажигания и нестационарного горения гетерогенных конденсированных систем тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

На правах рукописи

Коротких Александр Геннадьевич

ВЛИЯНИЕ ДИСПЕРСНОСТИ ПОРОШКА АЛЮМИНИЯ НА ПРОЦЕССЫ ЗАЖИГАНИЯ И НЕСТАЦИОНАРНОГО ГОРЕНИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СИСТЕМ

01.04.17— химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

1 5 НОЯ 2012

Томск-2012

005054738

005054738

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте прикладной математики и механики Томского государственного университета и Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный

исследовательский Томский политехнический университет»

Научный консультант: Архипов Владимир Афанасьевич

доктор физико-математических наук, профессор

Официальные оппоненты: Липанов Алексей Матвеевич

доктор технических наук, академик РАН, директор Института механики УрО РАН

Смоляков Виктор Кузьмич

Ципилев Владимир Папилович

доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией отдела структурной макрокинетики ТНЦ СО РАН

доктор физико-математических наук, профессор Национального исследовательского Томского политехнического университета

Ведущая организация:

ФГБУН «Институт химической кинетики и горения СО РАН» (г. Новосибирск)

Защита состоится 27 декабря 2012 г. в 10.00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.269.13 при ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу: 634050, г. Томск, ул. Усова, 7, корпус 8, ауд. 217.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале научно-технической библиотеки ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет».

Автореферат разослан « 26 » октября 2012 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.269.13 < и

кандидат технических наук, доцент (¡jA* 1-/V" A.C. Матвеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. В последние 15 лет в ряде развитых стран (США, ермания, Италия, Франция и др.) проводятся широкомасштабные сследования по созданию нового поколения твердотопливных и глеобразных высокоэнергетических систем, содержащих порошки тюминия высокой дисперсности. Проводимые работы представляют шординированную совокупность фундаментальных и прикладных сследований в области создания перспективных гетерогенных энденсированных систем (ГКС) на основе ультрадисперсного порошка /ДП) алюминия, что может обеспечить в ближайшем будущем появление и сальное внедрение ГКС с принципиально новым уровнем энергетических арактеристик. В России исследования проблем создания ГКС с УДП поминия в настоящее время ведутся в ИХКГ СО РАН (г. Новосибирск), ПХЭТ СО РАН, ФНПЦ «Алтай» (г. Бийск), ФЦДТ «Союз» Дзержинский), НИИ ПММ ТГУ (г. Томск), ВАРВСН МО РФ (г. Москва), ГТУ «ВОЕНМЕХ» (г. Санкт-Петербург), ИХФ РАН (г.Москва), ИПХФ '. Черноголовка) и других организациях.

В области технологии получения УДП металлов Россия занимает гредовые позиции. Наиболее отработанной является технология получения ДП металлов методом электрического взрыва проводников (ЭВП), эзданная в Институте высоких напряжений при Томском политехническом шверситете в 70 годах XX века. Установки для получения УДП металлов :им методом действуют в ИФПМ СО РАН, ИСЭ ТФ СО РАН и ИФВТ ТПУ •. Томск). УДП алюминия марки Alex со средним диаметром частиц 0.15 мкм, полученный методом ЭВП в г.Томске, используется в США, талии, Франции, Японии, Китае, Германии, Южной Корее и т. д.

В настоящее время в открытой печати опубликован ряд работ по фактеристикам зажигания и горения ГКС, содержащих УДП алюминия, нализ этих работ показывает, что наибольший объем информации получен эименительно к характеристикам стационарного горения ГКС в различном тапазоле давлений газовой среды. Вопросы, связанные с нестационарными эоцессами горения, в том числе и зажигания ГКС, изучены в литературе в >раздо меньшей степени. В частности, вопросам зажигания посвящены щничные публикации, относящиеся к гелеобразным системам, содержащим ДП алюминия (JI.A. Каледин, К.К. Куо, Б. Палашевски, США). Для ¡ердотопливных гетерогенных систем получены экспериментальные данные э характеристикам зажигания монохроматическим потоком излучения и ационарного горения (JI.T. Де Люка, Италия, А.И. Этвуд, С. Прайс, LM. Менч, США, К. Перю, Франция, П. Лессард, Канада). В то же время эоцессы зажигания и нестационарного горения ГКС представляют научный ттерес с точки зрения развития теории горения конденсированных систем, lk и практическую значимость при инициировании ГКС и их компонентов, ;енке пожаро- и взрывобезопасности технологии их производства.

В связи с этим проведение комплексных экспериментальных тедований нестационарных процессов зажигания и горения на модельных

составах ГКС, содержащих порошок алюминия разной дисперсност, создание физико-математической модели горения, учитывающей влиянк размера частиц и содержания металлического горючего в составе ГКС является актуальной проблемой, которая позволит разработат технологические принципы использования УДП алюминия в составе новог поколения ГКС.

Работа выполнялась в рамках трех федеральных целевых програм «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развита научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» пр поддержке государственного контракта №02.513.11.3009, «Научные научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 год] при поддержке государственных контрактов №11474, № 11.519.11.3004, рамках восьми грантов РФФИ (проекты № 05-03-32729-а, 05-08-18237-; 08-03-07011-д, 08-03-90701-моб_ст, 08-08-12013-офи, 09-03-90730-моб_с: 10-03-90703-моб_ст, 11-03-90706-моб_ст).

Цель работы состоит в комплексном экспериментально] исследовании нестационарных процессов зажигания и горения модельны смесевых твердотопливных и гелеобразных композиций, содержащи порошки металлов разной дисперсности (алюминия, железа, никеля, меди) в построении физико-математической модели горения гетерогенны конденсированных систем, учитывающей влияние размера частиц содержания порошка алюминия.

В соответствии с этой целью были поставлены следующие задачи.

1. Исследование физико-химических свойств, определение дисперсны характеристик, закономерностей процесса зажигания и горения в воздухе пр! нормальных условиях ультрадисперсного и микроразмерного порошко алюминия.

2. Исследование процессов зажигания модельных составов ГКС содержащих порошки алюминия разной дисперсности, при лучистом ] кондуктивном нагревах. Определение температур поверхности горения : момент воспламенения исследуемых составов ГКС, зависимостей времен] задержки зажигания ГКС от плотности потока излучения (лучистый нагрев и от температуры поверхности пластины нагретого блока (кондуктивньп нагрев). Исследование влияния спектра потока излучения на характеристик] зажигания модельного состава ГКС. Расчет кинетических констант процесс; зажигания исследуемых составов ГКС.

3. Исследование стационарного процесса горения модельных составо] ГКС при атмосферном и повышенных давлениях в бомбе постоянной давления. Определение зависимостей скорости горения модельных состава ГКС, содержащих порошок алюминия разной дисперсности, от давлени: окружающей среды. Исследование влияния добавок порошка металлов н; скорость горения исследуемых ГКС.

4. Построение физико-математической модели для оценки влиянш дисперсности и содержания порошка алюминия на стационарную скорос"

прения ГКС. Сравнение результатов численного расчета с полученными кспериментальными данными скорости горения ГКС.

5. Исследование нестационарного процесса горения модельного остава ГКС при резком сбросе давления в камере сгорания методом, снованном на постановке и решении обратной задачи внутренней аллистики. Определение зависимостей нестационарной скорости горения ДСГ) от времени сброса давления и значений параметра гашения сследуемых составов ГКС. Исследование влияния дисперсности порошка пюминия на устойчивость горения модельного состава ГКС.

6. Исследование процесса воспламенения гелеобразного глеводородного топлива. Определение зависимостей времени задержки □спламенения от температуры окружающего воздуха для исследуемых эставов гелеобразных топлив, содержащих УДИ алюминия. Исследование пияния химической активности УДП алюминия на характеристики оспламенения гелеобразных топлив.

Научная новизна работы. На основе проведенных комплексных сспериментальных исследований процессов зажигания и горения одельных составов ГКС, содержащих порошок алюминия разной исперсности, были получены зависимости времени задержки зажигания от змпературы поверхности пластины tign(T) (кондуктивный нагрев), времени щсржки зажигания от интенсивности излучения tign(q) (лучистый нагрев), гационарной скорости горения от давления окружающей среды и(р), естационарной скорости горения от времени сброса давления u(t) и времени щержки воспламенения гелеобразных алюминизированных топлив от гмпературы окружающей среды tign{T), определяющие закономерности ротекания процессов.

1. С использованием численного метода идентификации параметров определений частиц и экспериментальных гистограмм, представленных роизводителями порошков алюминия, определены функции распределения ия используемых УДП алюминия Alex, полученного методом 1ектрического взрыва проводников, и микроразмерных промышленных эрошков алюминия марок АСД-4, АСД-6, АСД-8. Рассчитаны наиболее 1спространенные среднестатистические диаметры частиц алюминия.

2. Установлено, что время задержки зажигания и температура эверхности реакционного слоя в момент появления пламени для модельных эставов ГКС на основе нитрата аммония (НА), перхлората аммония (ПХА), стогена (НМХ) и энергетического связующего МПВТ-ЛД, нитрата аммония инертного каучука СКДМ-80 при лучистом и кондуктивном подводе тепла ченыиается при увеличении дисперсности порошка алюминия в составе КС за счет уменьшения толщины оксидного слоя частиц, увеличения шической активности наноразмерных частиц алюминия и тепловыделения конденсированной фазе.

3. Экспериментально показано, что время задержки зажигания поминизированных ГКС, зависит от спектрального состава излучения при

•наковых условиях зажигания. Время задержки зажигания модельного

состава ГКС на основе ПХА и бутилкаучука марки БКЛ, содержаще» 10 масс. % порошок алюминия и 1 масс. % сажи, при воздействи монохроматическим потоком излучения с длиной волны 10.6 мкм в 1.3 4.0 раза меньше, чем интегральным потоком излучения (А. = 0.25-1.85 мкм) диапазоне плотности потока излучения 30-240 Вт/см2.

4. Для модельного состава ГКС на основе ПХА и бутил каучук показано, что стационарная скорость горения увеличивается в 2.6 раза, пр этом показатель в степенном законе горения изменяется от 0.37 до 0.52 пр замещении микроразмерного порошка алюминия АСД-1 на УДП Alex диапазоне давлений окружающей среды 1-8 МПа, что возможно связано диффузионным механизмом горения и полным сгоранием наноразмерны частиц алюминия в газофазной зоне химических реакций. Добавка УД] железа, меди, никеля и бора в состав модельной ГКС в количестве 1 масс. Ч может быть использована в качестве катализатора процесса горения ГКС, з счет увеличения скорости протекания химических реакций конденсированной и газофазной зонах.

5. На основе теории горения Беляева-Зельдовича разработана физике математическая модель для оценки влияния размера частиц и содержани порошка алюминия на стационарную скорость горения ГКС. В рамка предлагаемой модели рассматривается горение ГКС с ведущей стадией газовой фазе и диффузионным механизмом горения частиц алюминия газофазной зоне реакций.

6. Проведено измерение нестационарной скорости горения (НСГ) дл модельного состава ГКС, содержащего порошок алюминия, методо) обратной задачи внутренней баллистики при резком сбросе давления камере сгорания. Установлено, что для модельного состава ГКС на основ ПХА, СКДМ-80, содержащего порошок алюминия, характерны два режим НСГ - квазистационарное изменение скорости горения во время снижени давления в камере сгорания при значениях скорости сброса давления 30 40 МПа/с и полное гашение - при более высоких значениях скорости сброс давления. Показано, что амплитуда колебаний НСГ относителыг квазистационарной зависимости скорости горения от времени сброс давления для модельного состава ГКС, содержащего Alex, меньше, чем дл состава с АСД-4, что свидетельствует о возможном снижени] чувствительности модельной ГКС к быстрым изменениям давления в камер сгорания и увеличении устойчивости процесса горения.

7. Установлено, что добавка УДП алюминия Alex в состав гелеобразны: углеводородных систем приводит к снижению времени задержк] воспламенения в 1.05-2.0 раза в диапазоне температур воздуха 300-700 °С Установлено, что на значение времени задержки воспламенени: гелеобразных систем существенное влияние оказывает химическа: активность УДП алюминия Alex, т. е. газовая среда в котороГ электровзрывным методом получали Alex.

Научная новизна полученных результатов подтверждена двумя патентами Российской Федерации на изобретения (№ 2429282, 2423338).

Практическая значимость работы. Полученные новые кспериментальные результаты и закономерности зажигания и горения ГКС, одержащих порошки алюминия разной дисперсности, могут быть спользованы в развитии теоретических основ применения нового класса онденсированных систем в энергоустановках разного назначения (ракетно-осмической техники, средств вооружения, пиротехники, газогенераторах, азличных регулируемых ракетных двигателях на твердом и гелеобразном опливах), а также при анализе пожаро- и взрывоопасное™ технологии роизводства, авариях техногенного характера. Кроме того, результаты омплексного исследования нестационарных процессов зажигания и горения КС могут быть использованы в научно-исследовательских, проектных, аучно-производственных организациях открытого профиля, занимающихся сследованием и производством изделий из высокоэнергетических [атериалов (ИХФ РАН, ИПХФ РАН, ИХКГ СО РАН, ИСМАН РАН, ОСМ НЦ СО РАН) и на предприятиях оборонного комплекса, занимающихся роектированием, производством, хранением ГКС и двигателей (ФНПЦ Алтай», ГРЦ им. акад. В.П. Макеева, ФЦЦТ «Союз»),

Разработанные способы получения и регулирования скорости горения КС (патенты РФ № 2429282, 2423338), включающие последовательное еханическое перемешивание окислителей - ПХА, НА, НМХ, горючего-вязующего - инертного каучука марки СКДМ-80, отвердителя и УДП пюминия Alex с порошком хлорида олова, позволяют осуществить зменение скорости горения модельного состава ГКС от 1.1 до 1.8 раза за чет варьирования содержания порошка хлорида олова в количестве от 0.1 до .0 масс. %.

Достоверность результатов, научных положений и выводов, олученных в работе, основывается на физическом обосновании роведенных экспериментов, использовании классических

кспериментальных методов измерения времени задержки зажигания, гационарной и нестационарной скорости горения, воспроизводимости кспериментальных данных, качественном и количественном соответствии с езультатами, полученными другими авторами в пересекающихся областях сследований и использованием классических методов статистического нализа экспериментальных данных.

Личный вклад автора состоит в разработке методов кспериментального исследования нестационарных процессов зажигания и зрения ГКС; в постановке задач и проведении экспериментов по зажиганию, гационарному и нестационарному горению ГКС; обработке кспериментальных данных и определении зависимостей; проведении исленных расчетов характеристик зажигания и горения ГКС; в анализе и бобщении полученных в работе результатов; в разработке физико-атематической модели горения ГКС. Представление изложенных в иссертации и выносимых на защиту экспериментальных и расчетных

результатов, полученных в совместных исследованиях, согласовано соавторами.

Положения, выносимые на защиту диссертационной работы:

1. Результаты экспериментального исследования физико-химически свойств, процесса зажигания используемых порошков алюминия, функци распределения частиц, полученные с помощью метода идентификаци параметров, по экспериментальным данным производителей порошков.

2. Результаты экспериментального исследования процесса зажигани модельных составов ГКС, содержащих порошок алюминия разно дисперсности, при лучистом и кондуктивном подводе тепла. Закономерност влияния размера частиц порошка алюминия и добавок металлов на врем задержки зажигания модельных ГКС.

3. Результаты экспериментального исследования стационарног процесса горения модельных составов ГКС, содержащих порошок алюмини разной дисперсности. Закономерности влияния размера частиц порошк алюминия и добавок металлов на скорость горения ГКС.

4. Физико-математическая модель для оценки влияния размера части и содержания порошка алюминия на стационарную скорость горения ГКС.

5. Результаты численного анализа влияния диаметра частиц содержания порошка алюминия на скорость горения ГКС.

6. Метод для определения нестационарной скорости горения ГКС основанный на решении обратной задачи внутренней баллистики п измеренной зависимости давления в камере сгорания.

7. Результаты экспериментального исследования нестационарног процесса горения ГКС. Закономерности влияния размера частиц порошк алюминия на режимы и устойчивость горения модельного состава ГКС содержащего порошок алюминия.

8. Результаты экспериментального исследования процесс воспламенения гелеобразных систем, содержащих УДП алюминш Закономерности влияния УДП алюминия Alex на время задержк] воспламенения гелеобразных систем.

Апробация работы. Результаты диссертационной работ! докладывались и обсуждались на Всероссийских научных конференция: «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск 1999, 2000, 2001, 2002, 2004, 2006, 2008, 2011), Всероссийских научно технических конференциях «Аэрокосмическая техника и высоки технологии» (Пермь, 2000, 2001, 2002), III—V Международных школа семинарах «Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамик; дисперсных систем» (Санкт-Петербург, 2000, 2004, 2006), Всероссийски: научно-технических конференциях «Фундаментальные основь баллистического проектирования» (Санкт-Петербург, 2008, 2010) Международных конференциях «Сопряженные задачи механики информатики и экологии» (Томск, 2000, 2002, Горно-Алтайск, 2004), 8th International Workshop on Combustion and Propulsion «Rocket Propulsion:

resent and Future» (Pozzuoli, Naples, Italy, 2002), III, V International Colloquiums on Pulsed and Continuous Detonations (ICPCD) (Moscow, Russia, 002, 2006), VI Всероссийской (международной) конференции :Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем» (Томск, 2002), I-П. Всероссийских научных конференциях «Физика и химия ысокоэнергетических систем» (Томск, 2003, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010), -IV International Symposiums on Non-Equilibrium Processes, Combustion, and atmospheric Phenomena (NEPCAP) (Saint Petersburg, Russia, 2003, Sochi, Lussia, 2005, 2007, 2009), Международной конференции «Фундаментальные [ прикладные вопросы механики» (Хабаровск, 2003), International Workshops High Energy Materials: Demilitarization and Civil Applications (HEMs)» (Biysk, Lussia, 2004, 2006, 2008, 2010, 2012, Arcachon, France, 2007, Biarritz, France, 009, LaRochelle, France, 2011), XIII Симпозиуме по горению и взрыву Черноголовка, 2005), 38th International Annual Conference of ICT (Karlsruhe, Jermany, 2007), II—III Russian-French Seminars «Nanotechnology, energy, lasma, lasers (NEPL) (Tomsk, Russia, 2008, Toulouse, France, 2009), Международном симпозиуме по предотвращению промышленных взрывов Санкт-Петербург, 2008), V-VII Всероссийских конференциях Внутрикамерные процессы и горение в установках на твердом топливе и в твольных системах (ICOC)» (Москва, 2005, Санкт-Петербург, 2008, Ижевск, 011), II-III International Seminars «Applied Particle Technology» (Tomsk, Lussia, 2008, 2009), 1st Korean International Symposium on High Energy Materials (KISHEM) (Incheon, Korea, 2009), 8th International Symposium on ¡pecial Topics in Chemical Propulsion (ISICP) (Cape Town, South Africa, 2009), [VI Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: кология, надежность, безопасность» (Томск, 2010), I—II Всероссийских аучно-практических конференциях с международным участием Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск, 2010, 2011), 1сероссийской конференции «Химия, технология и применение ысокоэнергетических соединений» (Бийск, 2011), 7th International Seminar of lame Structure (Novosibirsk, Russia, 2011), International Autumn Seminar on ropellants, Explosives and Pyrotechnics (IASPEP) (Nanjing, China, 2011), III— V European Conferences for Aerospace Sciences (EUCASS) (Paris, France, 2009, aint-Petersburg, Russia, 2011).

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 12 печатных работах, включающих 2 монографии, 22 статьи в журналах, екомендованных ВАК для публикации научных результатов диссертации на оискание ученой степени доктора наук, 2 патента РФ на изобретение. Список основных публикаций приведен в автореферате диссертации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести лав, заключения и списка используемой литературы.

Диссертационная работа изложена на 302 страницах машинописного екста, содержит 88 рисунков, 57 таблиц, библиография включает 71 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работь указываются научная новизна, аспекты данных экспериментальны исследований и их практического применения, сформулированы цели : задачи исследования.

Первая глава носит обзорный характер. Рассмотрены способі получения и основные характеристики УДП металлов, требования металлическим горючим как компонентам ГКС. Первые экспериментальны исследования по использованию УДП алюминия в составе ГКС проводилис в СССР (ИХФ АН СССР) в 60-70 годах под руководством О.И. Лейпунского и М.Я. Гена. Анализ литературы и материалов последних международны: симпозиумов и конференций показал, что активизация исследований п> методам получения и использования УДП металлов в составе ГК( наблюдается с конца 90 годов и по настоящее время учеными из разны: стран — В.А. Бабук, Г.Я. Павловец, В.Ф. Комаров, В.Н. Симоненкс Ю.В. Фролов, Н.И. Попок, А.Е. Салько, В.Е. Зарко, Д.Ф. Лемперт (Россия' К.К. Куо, М.М. Менч, А.И. Этвуд, С. Прайс (США), Л. Де Лука (Италия К. Перю (Франция) и др. Исследования ведутся по двум направлениям -зажигание, горение ГКС и гелеобразных топлив, содержащих УДІ алюминия. В настоящее время нет ясного понимания влияния УДП металлов в частности алюминия, на процессы зажигания и горения ГКС, поэтому всі еще существует потребность получения дополнительной экспериментально!" информации, особенно по нестационарным процессам зажигания и горени: современных ГКС, основанных на двойном или тройном окислителях энергетическом горючем-связующем.

Вторая глава посвящена исследованию физико-химических свойств процессов зажигания и горения, определяющих химическую активності используемых порошков алюминия и определению функций распределена частиц с использованием экспериментальных гистограмм, представленные производителями порошков. Определены среднестатистические диаметрь частиц исследуемых порошков алюминия. Получены значения параметрої удельной и насыпной плотности, гигроскопичности, адсорбции влаги, содержания активного металла, температуры начала окисления, зажигания і поверхности горения порошков алюминия разной дисперсности.

Результаты исследования физико-химических свойств используемы) порошков алюминия показали, что насыпная плотность УДП алюминия, полученного пневматическим способом (механический метод) дисперсностью 0.30-0.50 мкм составляет 0.54 г/см3, что в 3.6 раза выше по сравнению с УДП алюминия Alex, полученного методом ЭВП, и в 2 раз; меньше по сравнению с микроразмерным порошком АСД-4. Различие насыпной плотности порошков алюминия возможно связано со структурой и толщиной оксидного слоя частиц. По данным электронного просвечивающего микроскопа и рентгенофазового анализа частица УДП алюминия Alex диаметром 0.1 мкм имеет рыхлую структуру оксидной

оолочки, в составе которой находятся газы в количестве до 3 масс. %.

УДП алюминия Alex имеет более высокое значение гигроскопичности !гиг и адсорбции влаги Вп (Ашг= 17.4%, В„ = 42.1%) по сравнению с шкроразмерным порошком АСД-4 (Атш = 3.2 %, 5ад = 4.2 %), что одтверждает предположение о поверхностном характере взаимодействия астиц алюминия с водяным паром.

Содержание активного алюминия САi в УДП Alex составляет 6 масс. %, что на 12.6 и 8.7 масс. %меньше по сравнению с микроразмерным к.СД-4 и УДП алюминия, полученным пневматическим методом.

Толщину оксидного слоя частицы алюминия диаметром равным реднемассовому размеру порошка рассчитывали по формуле:

100

S

1-

1 +

См

--1

Pai2O, у

це рр, Pai2o3 плотность алюминия, оксида алюминия, г/см3, dn -реднемассовый диаметр порошка алюминия, мкм.

Результаты расчета показали, что толщина оксидного слоя реднеразмерной частицы УДП алюминия Alex составляет 3.1 нм, АСД-4 -0.8 нм.

Температуру начала интенсивного окисления алюминия определяли с омощью дифференциального термического анализа (ДТА). Степень кисленности порошка алюминия рассчитывали по изменению массы авески образца по формуле:

«.=^■100%, '»02

це Am - прирост массы навески в ходе опыта, мг; m0i- масса кислорода, еобходимая для полного окисления навески, мг.

Термический анализ порошков алюминия проводили на дериватографе >-1500 в интервале температур 30-1000 °С со скоростью нагрева 5 °С/мин. ^ализ дериватограмм показал, что крупноразмерные партии порошка шоминия, такие как «999» и АСД-4 имеют одну стадию интенсивного кисления, а ультрадисперсные порошки - две. Первая стадия определяется гмпературой начала интенсивного окисления равной 500 °С, вторая стадия -10 °С. Для микроразмерного порошка алюминия АСД-4 температура начала нтенсивного окисления равна 790 °С. С уменьшением размера частиц шоминия степень окисленности порошка возрастает от 26.4 % (АСД-4) до 9.2 % (Alex) во всем исследуемом интервале температур. Исключением вляется высокая степень окисленности УДП алюминия, полученного невматическим методом аок, = 90.6 %.

Температуру зажигания и поверхности горения порошков алюминия змеряли с помощью видеосъемки тепловизором марки Jade J 530 SB в нфракрасной области спектра 2.5-2.7 мкм в воздухе при нормальных ^овиях. Принцип действия тепловизора основан на преобразовании

инфракрасного излучения в электрический сигнал, который воспроизводите на экране в виде цветового поля, где определенному цвету соответствуе определенная температура. Погрешность измерения температуры тел тепловизором не превышает 2 %. Использовались образцы непрессованног УДП Alex, микроразмерного порошка алюминия АСД-4, ПАП-2 массой 3 г Коэффициент излучения s исследуемых образцов принимался равным 0.9 Зажигание порошков алюминия осуществлялось вольфрамовой проволочко" с вершины конуса образцов. Типичные термограммы процесса зажигания п горения исследуемых порошков алюминия, полученные с П0М0ЩЫ* обработки программным комплексом Altair, представлены на рис. 1.

Горение образцов УДП алюминия Alex и микроразмерного порошк алюминия ПАП-2 протекало в две стадии. Первая стадия горения, согласно результатам тепловизионных измерений, представляла собой процес: распространения фронта горения от вершины конуса к основанию с низкой интенсивностью свечения (поверхностное горение). После прохождения первой стадии горения и достижения температуры плавления алюминиг (660 °С) наблюдалось резкое увеличение температуры до -1690 °С, сопровождающееся ярким свечением, которое охватывало весь конический образец. На второй стадии достигалась максимальная температура, после чего начиналось медленное охлаждение образцов.

1500

1300

1100

900

700

500

300

0 20 40 60 80 t, С

Рис. 1. Термограмма процессов зажигания и горения порошков алюминия в воздухе (е = 0.9)

Температура зажигания УДП алюминия Alex в воздухе при нормальных условиях составила -530 °С, микроразмерного порошка ПАП-2 - 790 °С. Микроразмерный порошок алюминия АСД-4 не зажигался и не поддерживал самораспространяющегося механизма горения. На первой стадии горения максимальная температура на поверхности образца УДП алюминия достигала 1160 °С, ПАП-2 - 1070 °С. На второй стадии горения максимальная температура порошков алюминия Alex и ПАП-2 была примерно одинаковой и составляла -1700 °С. Порошок алюминия марки АСД-4 прогревался до температуры 1150 °С, но не зажигался.

Для получения функций распределения частиц порошков алюминия спользовали метод идентификации параметров распределений частиц с использованием технологии прямого поиска по экспериментальным истограммам, представленных производителями исследуемых порошков. С омощью данного подхода получены функции распределения частиц для : шкроразмерных порошков алюминия марок АСД-4 (рис. 2а), АСД-6 и УДП люминия Alex (рис. 26).

а) б)

Рис. 2. Фотографии микроразмерного порошка марки АСД-4 (а) и УДП алюминия Alex (б)

Результаты сравнения расчетных и экспериментальных данных для дифференциальной функции массового распределения g(d) микроразмерных юрошков алюминия марок АСД-4, АСД-6 представлены на рис. 3. Наиболее эчной функцией распределения частиц, описывающей экспериментальные анные, является обобщенного гамма-распределения (ОГР).

(d), мкм

: 10 08 06 04 02

fa ---ГР -ОГР

\ — лн р

\

*

\

g(d), мкм-1

0.16 0.12 0.08 0.04

'А 1 ---ГР -ОГР

ч \\ — J HP

VV

\\

10

12

15 20 25 d, мкм 0 4 8

а) б)

Рис. 3. Функция массового распределения частиц по размерам

для порошков алюминия АСД-4 (а) и АСД-6 (б) (точки на графике соответствуют экспериментальным данным): g(d) = 0.64 • d3A4 exp(-3.09d0'50) - АСД-4 (ОГР),

g(d) = 0.11 • dL52 exp(-0.34d'18) - АСД-6 (ОГР)

16 d, мкм

f(d), мкм'1 __

Экспериментальные данные для УДП алюминия Ale: представлены в вид

гистограммы, представляющеГ дифференциальную функцию счетного распределения части] по размерам (рис. 4). Данна: гистограмма была получен; обработкой микрофотографии порошка. Необходимо отметить, что в процессе длительного хранения УДП алюминия Alex, наноразмерные частицы могут образовывать агрегаты в виде «виноградных гроздей» (рис. 26).

О 0.1 0.2 0.3 d, мкм

Рис. 4. Функция счетного распределения частиц по размерам для УДП алюминия f(d) = 2.90 • 1011 • d6 91 ехр (-59.2 86 ) -Alex (ОГР)

На основе дифференциальных функций среднестатистические диаметры частиц приведены в табл. 2.

Таблица 2

Среднестатистические диаметры частиц порошков алюминия

распределения рассчитывались порошков алюминия, которые

Марка порошка алюминия d\o, мкм d2о, мкм í/зо, мкм d}2, мкм ¿/43, мкм

АСД-4 1.23 1.66 2.28 4.34 7.34

АСД-6 0.85 1.17 1.60 3.01 4.72

Alex 0.12 0.13 0.14 0.16 0.18

В третьей главе приведены результаты исследования процесса зажигания модельных составов ГКС при лучистом и кондуктивном подводе тепла. Представлены метод изготовления, компонентные составы модельных ГКС и установки для экспериментального исследования характеристик зажигания. Получены зависимости времени задержки зажигания ГКС, содержащих порошки алюминия и других металлов разной дисперсности, от интенсивности излучения (лучистый нагрев), от температуры поверхности пластины нагретого блока (кондуктивный нагрев). Определены значения температур на поверхности реакционного слоя для модельных составов ГКС в момент появления видимого пламени, а также константы химической кинетики процесса зажигания.

Экспериментальное исследование процесса зажигания проводили на модельных составах ГКС, состоящих из ПХА, НА, НМХ различной дисперсности (менее 50 мкм, 160-315 мкм) и разного типа горючего-связующего. В качестве горючих использовали инертные связующие: бутилкаучук БКЛ, бутадиеновый каучук марки СКДМ-80, полибутадиен с концевыми гидроксильными группами марки 11-20ЬМ (ПБКГГ), а также активное горючее-связующее, содержащее нитрогруппы -

хилполивинилтетразол марки МПВТ-ЛД. Образцы диаметром 10 и ысотой 30 мм изготавливали методом проходного прессования с :оследующим отверждением в сушильном шкафу при температуре 70 °С в ечение трех суток. Перед опытом образцы нарезались на таблетки высотой мм. В качестве металлического горючего использовали микроразмерные орошки алюминия АСД-1, АСД-4, АСД-6, а также УДП алюминия Alex, одержание которых варьировалось в диапазоне 5-20 масс. %. Кроме того, в юдельный состав ГКС вводили катализаторы (сажа марки МП-75, порошки селеза, титана, аморфного бора, средний диаметр частиц которых ~2-0 мкм, порошки хлорида олова, оксида кремния со средним размером астиц 10 мкм, УДП железа, никеля, меди, полученные методом ЭВП в ргоне) в количестве от 1 до 4 масс. %.

Исследование процесса зажигания ГКС проводили в воздухе при ормальных условиях. Для измерения времени задержки зажигания ГКС нтегральным потоком излучения использовали установку «Уран-1» (рис. 5).

Излучатель установки «Уран-1» состоит из эллиптического зеркала, прибора поджига и ксеноновой лампы типа ДКсР-10000. Излучение ксеноновой лампы фокусировали эллиптическим зеркалом в пятно диаметром 12 мм. Распределение излучения по областям спектра составляет 0.5 кВт (9 %) в ультрафиолетовой части спектра, 2 кВт (36 %) в видимой части и 3 кВт (55 %) в инфракрасной части. Плотность потока излучения установки лучистого нагрева «Уран-1» измерялась калориметрическим методом с

относительной погрешностью 10 %.

Время задержки зажигания tign ГКС определяли по появлению пламени, егистрируемого ионизационным датчиком. Электроды ионизационного атчика располагались на расстоянии 3-5 мм от поверхности образца ГКС, на оторые подавалось напряжение 600 В. При действии светового потока злучения электрический сигнал фотодиода ФД-9 запускал пектронносчетный частотомер 43-54, а по появлению пламени срабатывал онизационный датчик, сигнал которого также шел на частотомер, [оказания частотомера соответствовали времени задержки зажигания бразца ГКС. Методическая погрешность измерения tjgn прибором не ревышала 1 %.

Получены зависимости времени задержки зажигания ГКС от плотности отока излучения. Некоторые результаты измерений, осредненные по трем ублирующим опытам для каждого значения плотности потока излучения, редставлены на рис. 6. Относительная погрешность измерения tign ^растеризующая разброс опытных данных) при величине доверительной

Излучатель

Рис. 5. Установка интегрального лучистого нагрева «Уран-1»

вероятности 0.95 составляла 2-5 %.

Аппроксимация опытных данных проводилась методом наименьших квадратов с использованием степенной зависимости

hgn^a-q", (1)

где I~tig„] = мс; [q\ = Вт/см2.

Полученные при этом значения параметров а, п приведены в табл. 3.

, МС Г \ ГГ7 /— Л

-------—. Таблица 3

Значения а и и уравнения (1)

----1[\ 1С\С\ ТЭ„/___2

10J

107 г

10

А состав 1 (ПХА/БКЛ) —о— состав 2 (ПХА/БЩ —состав З (НА/СКДМ) —состав 4 (НА/СКДМ)

30 100 300 <7, Вт/см2

Рис. 6. Зависимость времени задержки зажигания ГКС от плотности потока излучения .2

Состав № о-Ю5 п

1, (ПХА/БКЛ/ Alex) 1.73 1.74

2, (ПХА/БКЛ/ АСД-4) 3.57 1.76

з, (НА/СКДМ /Alex) 1.15 1.27

4, (НА/СКДМ /АСД-4) 6.24 1.55

для составов ГКС 2 и 1 (рис. 6)

Если при q = 60 Вт/см разница в составляет 0.097 с, т. е. время задержки зажигания ГКС, содержащей Alex, в 1.6 раза меньше по сравнению с ГКС, содержащей АСД-4, то при q = 250 Вт/см2 разница tign составов 2 и 1 - 0.013 с, т. е. отношение tign ГКС, содержащей АСД-4, к ГКС, содержащей Alex, в 2.6 раза меньше.

Время задержки зажигания составов ГКС 3 и 4 на основе НА, НМХ и СКДМ-80 в 4-6 раз больше, чем для составов на основе ПХА и БКЛ, при одинаковых условиях зажигания. Возможно, это связано с термостойкостью инертного каучука СКДМ-80 и меньшим количеством выделившегося тепла при разложении нитрата аммония.

Влияние добавки УДП металла в качестве катализатора в ГКС оценивалось коэффициентом эффективности Kig„ (отношением tjg„ металлизированного состава без добавки катализатора к tig„ состава ГКС с добавкой катализатора). Исследования проводились на базовом составе ГКС, содержащем ПХА и БКЛ. В качестве металлического горючего использовался микроразмерный порошок алюминия АСД-4, содержание которого составляло 10 масс. %. Влияние УДП металла на характеристики зажигания базового состава ГКС при постоянном значении плотности потока излучения q = 60 Вт/см2 приведены в табл. 4.

Анализ результатов исследования показал, что наиболее эффективной добавкой катализатора в базовый состав ГКС является УДП меди. Так при содержании 1 масс. % УДП меди в базовом составе ГКС время задержки

лигания уменьшается на 20 %. Введение 1 масс. % УДП железа в базовый остав ГКС сокращает время задержки зажигания на 5 %, 4 масс. % УДП железа - на 28 %. Введение 4 масс. % микроразмерного порошка железа в ¡азовый состав ГКС уменьшает время задержки зажигания на 20 %. Таким бразом с уменьшением размера частиц порошка железа время задержки ажигания ГКС уменьшается.

Таблица 4

Эффективность зажигания ГКС на основе ПХА и БКЛ в зависимости от

содержания катализатора при д = 60 Вт/см2

Коэффициент Содержание катализатора в ГКС, масс. %

эффективности 1, 1, 1, 4, 4,

зажигания УДП Fe УДП Си УДП Ni УДП Fe Fe

Klg„ 1.1 1.2 1.0 1.3 1.2

Для измерения времени задержки зажигания ГКС при действии юнохроматического потока излучения использовали установку на основе птического квантового генератора (ОКГ) - одномодового ССЬ-лазера :епрерывного действия с длиной волны излучения 10.6 мкм и максимальной [ощностью излучения 100 Вт (рис. 7). Диаметр пучка выходного лазерного злучения составлял 20 мм.

Рис. 7. Схема установки на базе ССЬ-лазера

Излучение С02-лазера (1) при открытии затвора центрального типа (6) юкусировалось системой зеркал (3) и линзой (4) из хлорида натрия на сследуемый образец ГКС (9). Время задержки зажигания определяли по игналам двух фотодиодов (7), один из которых при открытии затвора ключал развертку запоминающего осциллографа Owon PDS 5022 S (8), торой регистрировал появление пламени образца ГКС. Относительная огрешность измерения tig„, определяющая разброс опытных данных, при еличине доверительной вероятности 0.90 составляла 5-18%. Мощность злучения, падающего на образец ГКС, измерялась измерителем средней гощности излучения (5) марки ИМО-2. Измерение температурного поля на оверхности реакционного слоя исследуемых составов ГКС проводили с

помощью тепловизора (2) марки Jade J 530 SB с цифровой записью на персональном компьютере.

Исследование процесса зажигания монохроматическим потоком излучения проводили в воздухе при нормальных условиях для двух базовых твердотопливных композиций с одинаковым коэффициентом избытка окислителя а = 0.545. Первая композиция (состав А) содержала 24 масс. % МПВТ-ЛД, 56 масс. % смешанный окислитель (НА и НМХ в соотношении 50/50) и 20 масс. % порошок алюминия. Вторая композиция ГКС (состав В) содержала 12 масс. % СКДМ-80, 73 масс. % смешанный окислитель (НА, НМХ, ПХА в соотношении 40/40/20) и 15 масс. % порошок алюминия. Дисперсность порошков окислителя НА, НМХ и ПХА составляла 160— 315 мкм. Для каждого из базовых составов ГКС варьировалось соотношение содержания порошков алюминия марок АСД-4 и Alex.

Получены времена задержки зажигания исследуемых составов ГКС в зависимости от плотности потока монохроматического излучения tign{q). Результаты измерений, осредненные по трем дублирующим опытам для каждого значения q, представлены на рис. 8. Аппроксимация опытных данных проводилась с использованием зависимости (1) в диапазоне q = 60200 Вт/см2. Полученные при этом значения параметров а, п приведены в табл. 5.

С увеличением дисперсности порошка алюминия в базовом составе А воспламеняемость ГКС существенно улучшается при низких и средних значениях q. Время задержки зажигания составов А2-АЗ, содержащих Alex, в 4-6 раз меньше, чем состава А1, содержащего АСД-4. При более высоких значениях q эффективность влияния дисперсности порошка алюминия на воспламеняемость ГКС уменьшается (Kig„ = ^„.Асд/'^я.лкх = 1.3-2.1).

Рис. 8. Время задержки зажигания составов А1-АЗ на основе НА, НМХ, МПВТ-ЛД (а), В1-ВЗ на основе НА, НМХ, ПХА, СКДМ-80 (б) в зависимости от плотности потока излучения

Для базового состава В на основе инертного горючего-связующего коэффициент

эффективности влияния

дисперсности порошка алюминия на задержку зажигания мал по величине (Kjg„ = 1.0-2.1), по сравнению с базовым составом А. В диапазоне низких и средних значений q дисперсность порошка алюминия практически не влияет на время задержки зажигания, начительное уменьшение tign состава В, содержащего Alex, наблюдается при >190 Вт/см2.

Определены осредненные значения температур на поверхности еакционного слоя исследуемых ГКС в момент появления видимого пламени помощью тепловизионной съемки при q = 60 Вт/см2 при постоянном начении коэффициента излучения поверхности образцов е = 0.95. Остановлено, что зажигание состава A3, содержащего Alex, происходит близи поверхности конденсированной фазы при температуре ~550 °С рис. 9) с образованием жидкого вспененного слоя. Появление видимого ламени состава А1, содержащего АСД-4, происходит при температуре оверхности ~710 °С (рис. 10), при этом время прогрева реакционного слоя и оявления пламени существенно больше, чем для состава А1 с Alex, [астичная замена порошка АСД-4 на Alex в базовом составе А позволяет низить осредненную температуру на поверхности реакционного слоя бразца ГКС до -660 °С (рис. 9).

т,° с

900

800

700

600

500

400

0 100 200 300 400 (, мс

Рис. 9. Термограмма процесса зажигания составов А2-АЗ на основе НА, НМХ, МПВТ-ЛД, содержащих Alex, при q = 60 Вт/см2 (е = 0.95)

Таблица 5

Значения аип зависимости (1) ГКС при q - 60-200 Вт/см2

Состав № а-10"6 п

А1 375.00 3.16

А2 0.25 1.89

A3 1.59 2.27

В1 0.04 1.42

В2 0.11 1.66

ВЗ 0.17 1.77

т, °с 900

800

700

600

500

400

і і ! І І

г j M

состав« Э A1

Mi І

у J

/

( м™ Ж

\ /

\ \

J 1 1 j !

J \ ; і І

0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 t, с

Рис. 10. Термограмма процесса зажигания состава А1 на основе НА, НМХ, МПВТ-ЛД, содержащего АСД-4, при q = 60 Вт/см2 (е = 0.95)

Зажигание базового состава В основе НА, НМХ, ПХА и СКДМ-80 происходит без образования жидкого вспененного слоя. При этом время прогрева реакционного слоя и появления видимого пламени состава В1 на основе СКДМ-80 значительно меньше, чем для состава А1 на основе МПВТ-ЛД, содержащего АСД-4.

Появление видимого пламени состава В1, содержащего АСД-4, происходит при осредненной температуре поверхности реакционного слоя ~470 °С. Для составов В2 и ВЗ, содержащих УДП алюминия Alex, осредненная температура поверхности горения образцов немного ниже и составляет ~455 и 460 °С (рис. 11). т° с

750

650

450

350

250

0 100 200 300 400 500 <, мс

Рис. 11. Термограмма процесса зажигания составов В1-ВЗ на основе НА, НМХ, ПХА, СКДМ-80, содержащих порошок алюминия разной дисперсности, при # = 60 Вт/см2 (є = 0.95)

Исследование влияния спектрального состава потока излучения на характеристики зажигания ГКС проводили на базовых составах 1 и 2, содержащих ПХА, бутилкаучук, порошок алюминия разной дисперсности.

Коэффициент отражения поверхности ГКС, определенный на шаровом фотометре ФМШ-56М в диапазоне длин волн X = 0.36-1.10 мкм, составлял 11-13 % и практически не зависел от длины волны излучения. Для снижения оптической неоднородности поверхности образцов в процессе изготовления ГКС вводилась ламповая сажа со средним размером частиц с/43 = 48 нм в юличестве 1 масс. % (сверх 100 масс. %).

Выявлены закономерности процесса зажигания базового состава ГКС рис. 12) интегральным («Уран-1») и монохроматическим (С02-лазер) ютоками излучения, где в качестве излучателей использовались ксеноновая [ампа ДКсР-10000 со спектром излучения X = 0.25-1.85 мкм и ОКГ с - = 10.6 мкм.

Результаты исследования показали, что время задержки зажигания состава 1, содержащего Alex и сажу, при интегральном потоке излучения в 1.3-3.1 раза больше, чем при

монохроматическом, tig„ состава 2, содержащего АСД-4 и сажу, в 2.5^1.0 раза больше при одинаковых значениях плотности потока Ю 30 100 зоо q, Вт/см2 излучения. С увеличением q

Рис. 12. Зависимость времени задержки разница в tig„ ГКС зажигания ГКС от плотности потока уменьшается. Причем

излучения разница во времени

адержки зажигания зависит от размера частиц и химической активности юрошков алюминия.

Время задержки зажигания ГКС зависит от показателя поглощения омпонентов при одинаковых значениях плотности потока излучения и словиях теплообмена с окружающей средой. При поглощении теплового ютока излучения температура в подповерхностных слоях конденсированной истемы повышается быстрее, чем при передаче тепла за счет еплопроводности от поверхности образца, что определяет время прогрева и олщину реакционного слоя ГКС. Прогрев реакционного слоя и скорость имической реакции разложения компонентов ГКС зависит от дисперсности юрошка алюминия. При уменьшении среднемассового размера частиц люминия время задержки зажигания уменьшается в 1.3-4.0 раза в ависимости от плотности и спектрального состава потока излучения.

В качестве катализаторов горения ГКС применяют металлы, их оксиды, лориды, которые оказывают влияние на скорость термического разложения |кислителей (ПХА, НА). Наиболее распространенными и универсальными в той группе катализаторов являются системы, содержащие медь, хром, железо,

никель. В качестве предполагаемых катализаторов процессов зажигания и горения ГКС были выбраны порошки хлорида олова, диоксида кремния, титана, аморфного бора и УДП железа. Исследование проводилось на базовом составе ГКС, содержащем 64.6 масс. % ПХА, 19.7 масс. % СКДМ-80, 13.7 масс. % порошок алюминия разной дисперсности, 2 масс. % катализатора. Результаты влияния добавок металлов на время задержки зажигания ГКС при различном значении д приведены в табл. 6, 7.

Таблица 6

Эффективность добавки катализатора на зажигание состава ГКС

на основе ПХА, СКДМ-80, Alex при лучистом подводе тепла

tign Значение К,г„ для состава ГКС

Вт/см2 состав 1 2, 3, 4, 5, 6,

(Alex), мс SnCl2 Si02 Ті В УДП Fe

14 550 ± 20 1.1 1.1 1.0 0.6 1.5

58 59 ±7 0.9 1.2 0.9 1.3 1.3

85 3.0 ± 0.4 0.8 1.0 0.4 1.5 1.5

Таблица 7

Эффективность добавки катализатора на зажигание состава ГКС на основе ПХА, СКДМ-80, АСД-4 при лучистом подводе тепла

q' , tign Значение Кн,п для состава ГКС

Вт/см2 состав 7 8, 9, 10, И, 12,

(АСД-4), мс SnCl2 Si02 Ті В УДП Fe

15 542 ± 39 1.1 1.6 1.4 0.7 1.2

58 119 ± 17 1.9 1.3 1.0 1.3 1.8

80 13.0 ±2.0 1.3 1.2 0.9 1.9 1.1

Анализ результатов исследования показал, что добавка порошка хлорида олова, титана и аморфного бора (при q= 14 Вт/см2) в состав 1, содержащий Alex, увеличивает время задержки зажигания. Результаты тепловизионной съемки показали, что осредненная температура поверхности реакционного слоя ГКС в момент появления видимого пламени уменьшается на ~40 °С при введении в базовый состав 1 порошка хлорида олова. При введении порошка титана и бора средняя температура поверхности реакционного слоя ГКС увеличивается на ~110 и 290 °С. Добавки порошков диоксида кремния, аморфного бора и УДП железа позволяют уменьшить время задержки зажигания базового состава 1 (при q = 58-85 Вт/см2). Эффективность влияния данных порошков на задержку зажигания ГКС возрастает с увеличением размера и толщины оксидного слоя частиц алюминия (табл. 7).

Исследование процесса зажигания ГКС нагретым телом проводили в условиях кондуктивного нагрева на горячей металлической пластине в воздухе при нормальных условиях в диапазоне температур 320-480 °С (рис. 13). Исследуемый образец ГКС крепится к штоку, который свободно перемещается в вертикальном направлении по направляющей штанге. Для

исключения теплового влияния штока, на котором крепился исследуемый ГКС, материал штока выбирался таким образом, что его теплофизические характеристики близки к соответствующим значениям характеристик ГКС (асбоцементная композиция). Образец ГКС прижимался к нагретой металлической пластине с силой ~3 Н. Момент зажигания ГКС фиксировался по появлению пламени. За время задержки зажигания /,8„ принимался промежуток времени от момента соприкосновения образца с нагретой пластиной до появления видимого пламени. Измерение температуры поверхности пластины производилось термопарой.

1 - стабилизатор

напряжения;

2 - автотрансформатор;

3 - амперметр;

4 - микровольтметр;

5 — термопара

2 1

-0

220 В

Рис. 13. Установка кондуктивного нагрева накаленной поверхностью

Для получения каждого значения /,я„ исследуемого состава ГКС проводилось 3-5 дублирующих опытов. Относительная погрешность измерения времени задержки зажигания при величине доверительной вероятности 0.90 составляла 8-14 %. Исследовались составы ГКС на основе ПХА с размером частиц менее 50 мкм и 160-315 мкм, бутилкаучука и полибутадиена с концевыми гидроксильными группами марки R-20LM.

Аппроксимация опытных данных проводилась с использованием зависимости в диапазоне температур поверхности нагрева 350^440 °С:

tign=a-exV(-b-T), (2)

где [t,g„] = с; [7] = К.

Полная замена порошка алюминия АСД-4 на Alex приводит к уменьшению времени задержки зажигания ГКС в 1.2-1.8 раза в диапазоне Т= 350^140 °С для составов ГКС на основе ПХА, БКЛ и ПХА, ПБКГГ (рис. 14). Механизм влияния УДП алюминия на процесс зажигания ГКС определяется возможностью интенсивного окисления частиц порошка алюминия на поверхности реакционного слоя или в непосредственной близости от нее. Если процесс окисления частиц алюминия происходит в прогретом слое, то возможен аномальный режим зажигания,

—Л— состав 1 (Alex)

9 состав 2 (АСД-4) —П—состав 15 (Alex) -О— состав 16 (АСД-4)

10

сопровождающийся резким звуковым эффектом, растрескиванием поверхностного слоя, его дроблением и выгоранием.

Влияние добавки УДП металла в базовом составе ГКС оценивалось коэффициентом эффективности

Результаты исследования приведены в табл. 8. Анализ результатов показал, что с увеличением температуры поверхности пластины

эффективность добавки УДП металлов в качестве катализатора возрастает,

исключением является УДП никеля. Увеличение

содержания УДП железа до 4 масс. % приводит к увеличению коэффициента эффективности К1Я„.

Таблица 8

Эффективность влияния добавки УДП металла на зажигание состава ГКС на

°С

620 640 660 680 700 Г, К

Рис. 14. Время задержки зажигания ГКС на основе ПХА и БКЛ (составы 1,2), ПХА и ПБКГГ (составы 15, 16) в зависимости от температуры поверхности

V - t¡sn K¡SП - Содержание катализатора в ГКС, масс. %

1, УДП Си 1, УДП Ni 1, УДП Fe 2, УДП Fe 4, УДП Fe

ign, кат 1.5-27.0 1.0-1.1 3.7-6.0 3.7-8.9 4.8-11.0

Процесс кондуктивного зажигания ГКС лимитируется экзотермическими реакциями в конденсированной фазе и математически задача сводится к решению уравнения теплопроводности с тепловым источником. Приближенное аналитическое решение для времени задержки зажигания, полученное В.Н. Вилюновым, имеет вид:

í/gn=1.18

' Г"

1_ÍH

Т

s У

где /,8„ - время задержки зажигания, с; Тн - начальная температура ГКС, К; ТБ - температура пластины, К; 0 - тепловой эффект реакции конденсированной фазы, отнесенный к единице массы, Дж/г; г -предэкспонент, 1/с; с - удельная теплоемкость, Дж/(г-К); Е - энергия активации, Дж/моль; Я - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К).

Если экспериментальные данные по зажиганию ГКС при кондуктивном

нагреве представить в координатах 1п-

t,„

J_

Т,1

то

(1 -TjTs)Jr~^TH

экспериментальные точки должны ложиться на прямую, наклон которой

определяет эффективную энергию активации Е, а при известных теплофизических константах (по пересечению с осью абсцисс) можно определить произведение Qz.

Рассчитанные значения кинетических параметров зажигания исследуемых составов ГКС представлены в табл. 9.

Таблица 9

Значения a b зависимости (2), Е и Qz ГКС при кондуктивном нагреве

Состав Диапазон Т, К а-10"14 МО2 Е, кДж/моль Qz-W15, кВт/кг

1 (Alex) 660-700 1.34 4.4 176 5.66

2 (АСД-4) 670-710 0.10 4.0 161 0.32

15 (Alex) 620-670 419 5.6 194 1170

16 (АСД-4) 620-670 1.66 4.7 166 3.83

Исследование процесса зажигания ГКС показало, что добавки УДП металла ускоряют процесс термического разложения окислителя в прогретом слое конденсированной фазы за счет высокой химической активности и развитой удельной площади поверхности порошков. Не исключается влияние оксидов металлов, которые являются широко известными катализаторами процесса горения ГКС на основе перхлората и нитрата аммония.

В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования стационарной скорости горения составов ГКС, содержащих порошки алюминия разной дисперсности, в диапазоне давлений окружающей среды 1-6 МПа, а также физико-математическая модель для оценки влияния дисперсности и содержания порошка алюминия на скорость горения ГКС. Экспериментальные данные по стационарной скорости горения были использованы при сравнительном анализе результатов измерения нестационарной скорости горения ГКС с квазистационарными зависимостями.

Стационарную скорость горения ГКС определяли, используя образцы торцевого горения диаметром 10 и высотой 30 мм бронированные по боковой поверхности. Измерение скорости горения ГКС проводили в бомбе постоянного давления в среде аргона при комнатной температуре методом сгорающих проволочек.

Исследование влияния дисперсности порошка алюминия на процесс стационарного горения проводилось на базовом составе ГКС, содержащем ПХА и бутилкаучук. Содержание порошка алюминия варьировалось в диапазоне 5-20 масс. %.

На каждую экспериментальную точку проводилось по 3—4 параллельных опыта. Относительная погрешность измерений скорости горения ГКС при величине доверительной вероятности 0.95 составляла 5— 10 %. Результаты экспериментов представлены на рис. 15.

При содержании Alex в составе ГКС в количестве 10-20 масс. % отмечено увеличение скорости горения более чем в 2.5 раза, по сравнению с ГКС с АСД-1 при одинаковых условиях.

Анализ полученных результатов показал, что с введением Alex в базовый состав ГКС показатель в степенном законе скорости горения увеличивается от 0.37 до 0.52, причем, максимальное значение v наблюдается при

содержании Alex в количестве 10 масс. %.

Влияние размера

0 8 1 0 8 0 р. мпа частиц порошка алюминия

Рис. 15. Скорость горения ГКС, содержащей на скорость горения ГКС порошок алюминия разной дисперсности, в можно объяснить исходя из зависимости от давления среды тепловой теории горения и

механизма окисления частиц.

Если частицы алюминия быстро воспламеняются и сгорают вблизи поверхности образца ГКС, то скорость горения ГКС будет возрастать. Для этого необходимо, чтобы размер частицы был достаточно мал, а температура и состав продуктов газификации ГКС были достаточно благоприятными для воспламенения и горения частиц алюминия.

Увеличение скорости горения при введении УДП алюминия в состав ГКС связано с увеличением скорости химических реакций за счет увеличения температуры горения в газовой фазе.

Влияние добавки УДП металла в качестве катализатора процесса горения ГКС также оценивалось коэффициентом эффективности Ки. Результаты исследования приведены в табл. 10.

Таблица 10

Эффективность влияния катализатора на скорость горения ГКС

на основе ПХА и БКЛ, содержащей 10 масс. % АСД-4

гг "АСД-4+кат Ки ~ Содержание катализатора в ГКС

1 масс. %, УДП Fe 1 масс. %, УДП Си 1 масс. %, УДП Ni 4 масс. %, УДП Fe 4 масс. %, Fe

мАСД-4 1.2 1.5 1.1 1.2 1.1

-О- 20% Alex (обр. 1) и=6.14р°45 -в-. 20% АСД-1 (обр. 2) и=2.97р=" -□• ■ 10% Alex (обр. 3) и=3.84р152 -Ш- 10% АСД-1 (обр. 4)и=2.66р037 ...Д... 5% Alex (обр. 5) и=3.42р037 Без AI (обр. 18) u=3.20p02i

В рамках предлагаемой физико-математической модели рассматривается горение ГКС с ведущей стадией в газовой фазе и диффузионным механизмом горения частиц порошка алюминия в зоне газофазных реакций.

В соответствии с теорией Я.Б. Зельдовича скорость горения безметальной ГКС за счет гомогенной реакции определяется выражением:

2 I ^к/

ио =-.2 Я.Га(7-)Л\ (4)

РргЧо\ т.

где Q{{T) = q0(ря«гга) A-0 ■ j - объемная скорость выделения тепла

за счет реакции горения безметальной системы; Ts - температура поверхности горения ГКС; Tad- максимальная температура горения в газовой фазе безметальной ГКС; pg - плотность газа; X - коэффициент теплопроводности газа; тох - массовая доля окислителя; к0, Е -предэкспоненциальный множитель и энергия активации реакции горения ГКС; 2v - порядок реакции; ррг - плотность ГКС; qo - теплота газофазной реакции горения на единицу массы ГКС.

При введении в состав ГКС в качестве металлического горючего порошка алюминия появляется тепловыделение за счет гетерогенной реакции горения на поверхности частиц. В предположении того, что гомогенная и гетерогенная реакции горения конденсированной системы и частиц алюминия протекают в газофазной зоне, скорость горения металлизированной ГКС будет определяться выражением: j I Tadi Т "

2X\Qi{T)dr + 'Q,]Q2{T)dT, (5)

и=--,— . .

Ррг{тмЯр+{х-тк\)ч<))\ I г5

где гпм — массовая доля порошка алюминия; qp — тепловой эффект реакции окисления на единицу массы порошка алюминия; 7^,- максимальная температура в зоне горения металлизированной ГКС, которая определяется формулой

Tadi=Ts +

\с /

<7о

(\-mA]) + [qp-qev)mM

тмТг + —-—^-, (6)

где с, ср - удельная теплоемкость газа, алюминия; qev — удельная теплота испарения алюминия.

Объемная скорость выделения тепла за счет гетерогенной реакции диффузионного горения на поверхности частиц алюминия определяется выражением:

УУ8 Ть) ■ шах [0, 5Еп(Т;-Га)], (7)

где <2Р(Т, Ть) - тепловыделение при испарении частиц порошка алюминия; Ть — температура кипения алюминия (температура поверхности частицы).

Скорость горения (5) металлизированной ГКС представим в виде выражения:

и =---^- ^2Я.(У1+72), (8)

Та<п

где 01{Т)еГГ, = | (22(Т)с1Т - интегралы функций тепловыделения

т т

5

за счет реакции горения безметальной системы и порошка алюминия.

Расчет полноты сгорания частиц алюминия в диффузионном режиме в потоке газа показал, что максимальный диаметр частиц должен составлять 0.44-0.66 мкм в диапазоне р = 2-4 МПа. При этом время сгорания частиц алюминия составляет 14-32 мкс.

Для сравнительного анализа расчетных результатов с экспериментальными данными и представим значение коэффициента Ки равного отношению скорости горения ГКС, содержащей Alex, к скорости горения ГКС, содержащей АСД-4. Результаты расчета значений Ки (рис. 16) и сравнительный анализ с экспериментальными данными представлены в табл. 13.

Таблица 13

Значения коэффициента Ки при разных давлениях_

Массовая доля порошка алюминия в составе ГКС Значение К„ = иЛ|„/«асл-4

при р = 2 МПа при р = 4 МПа

расчет эксперимент расчет эксперимент

0.1 1.3 1.6 1.4 1.8

0.2 5.8 2.3 5.0 2.6

Анализ полученных

результатов показал, что при увеличении массовой доли порошка алюминия в составе ГКС разность расчетных и экспериментальных значений Ки увеличивается. Последний факт является следствием предположения того, что горение летучих компонентов ГКС в газовой фазе и горение частиц алюминия происходит в пределах фронта пламени.

В пятой главе представлены составы ГКС и методика экспериментального исследования нестационарного процесса горения твердых топлив при резком сбросе давления в камере сгорания: метод, основанный на постановке и решении обратной задачи внутренней баллистики (ОЗВБ-метод). Получены зависимости нестационарной скорости горения (НСГ) от времени, определены режимы горения и значения параметра гашения исследуемых составов ГКС, содержащих порошок алюминия разной дисперсности.

Для проведения экспериментальных исследований нестационарной скорости горения ГКС предварительно были проведены измерения стационарной скорости горения при постоянном давлении. Для измерения нестационарной скорости горения использовались бронированные по боковой поверхности цилиндрические образцы ГКС диаметром 40 мм и

Рис. 16. Значение коэффициента^ в зависимости от массовой доли порошка алюминия в составе ГКС

высотой 50 мм.

Измерение давления в камере сгорания осуществлялось с помощью тензометрического датчика Р-ЗМА/200 класса 0.1 с пределом измерения давлений 20 МПа и собственной частотой 67 кГц. Измерение НСГ проводилось в модельном РДТТ с цилиндрической камерой сгорания диаметром 50 мм и длиной 100 мм с двумя соплами - основным и дополнительным (рис. 17). Для обеспечения адиабатичности процесса внутренние стенки камеры сгорания изолировались вкладным элементом из материала с низким значением коэффициента теплопроводности (текстолитовые вкладыши).

Диаметр основного сопла рассчитывался по формуле Бори для обеспечения основного режима стационарного горения образца при давлении р0 я 4 МПа. Диаметр вспомогательного сопла варьировался с целью получения разных скоростей сброса давления. Вспомогательное сопло плотно прикрыто сгорающей Рис. 17. Схема камеры сгорания пробкой в форме грибка из твердого топлива баллиститного пороха Н.

После зажигания образца ГКС в камере сгорания устанавливается стационарный режим р0 = const за счет горения ГКС и пороховой пробки. После сгорания и вылета пробки реализуется резкий сброс давления в камере сгорания, глубина которого dp/dt определяется величиной свободного объема камеры сгорания W и соотношением диаметров критических сечений основного и дополнительного сопел.

При реализации ОЗВБ-метода НСГ u(t) в период переходного процесса определялась по измеренной кривой давления p(t) в камере сгорания.

Рассматривалась система уравнений, выражающая законы сохранения для осредненных по объему камеры сгорания параметров: d ,

1 датчикам. . давления

^ основное 1—сопло

dt

d( pW

- -

(Pgw) = SPpru

= cTadxSppru

G, к

-G,

р = рЛт-

Массовый секундный расход продуктов сгорания сверхкритического режима истечения) рассчитывался по формуле

(9)

(для

G={<p\Fx + <P2F2)-\ kppg

к +1

к+1 к-1

Здесьр, к, с, , Т — давление, показатель адиабаты, удельная изобарическая теплоемкость, газовая постоянная и температура продуктов сгорания; (р\,

F\,F2- коэффициенты расхода и площади критических сечений основного и дополнительного сопел; S, W, ТаЛ - площадь поверхности горения, свободный объем камеры сгорания и температура горения ГКС. В отличие от классических методов определения НСГ учитывалась динамика изменения коэффициента расхода дополнительного сопла.

Характеристики переходного процесса р, pg, Т и нестационарная скорость горения определялась из решения трех уравнений (9) и измеренной экспериментальной зависимости pe(t). Таким образом, приведенная система уравнений совместно с начальными условиями является замкнутой и позволяет определить решение по переменной u{t) - зависимость скорости горения ГКС от времени.

Решение обратной задачи внутренней баллистики предполагало идентификацию функции скорости горения по заданной экспериментальной кривой pe{f) методом прямого поиска. При этом зависимость pe(t) разбивается на п временных интервалов At, (; = 1,..., п). На каждом интервале Л/, последовательно решается система уравнений (9), при варьировании величины скорости горения, и находится расчетное значение p(t). Для известных на данном интервале времени А/, экспериментальных pe(t) и расчетных p(t) значений давления находится минимум функционала

J= J Iко-Ыф-

h

Измерения нестационарной скорости горения проведены на базовом составе ГКС на основе ПХА, НМХ, СКДМ-80, содержащем 15 масс. % порошка алюминия разной дисперсности. Для данного базового состава обнаружены два режима нестационарной скорости горения при спаде давления - квазистационарное изменение u(t) при значениях \dp/dt\ ~ 3040 МПа/с

и полное гашение при более высоких значениях скорости сброса

давления.

Предварительно в бомбе постоянного объема измерялась стационарная скорость горения базового состава ГКС в диапазоне давления окружающей среды 1-6 МПа и определялась зависимость скорости горения от давления: и = 1.14рйА - состава с АСД-4, и = 1.35/?0'47 - состава с Alex, где [и] = мм/с, [р] = атм.

На рис. 18 представлены результаты исследований нестационарной скорости горения для базового состава ГКС, содержащего АСД-4 или Alex. Сопоставление с расчетами нестационарного процесса горения на базе феноменологической теории Зельдовича (температура поверхности Ts = const) показали, что характер зависимости u(t) качественно соответствует измеренным при количественном расхождении до 32 % - для состава, содержащего АСД-4.

Анализ полученных результатов по нестационарной скорости горения ГКС (рис. 18) показывает, что в период переходного процесса горения зависимость u(t) для состава АСД-4 носит колебательный характер с

частотой порядка 4 Гц. При этом отклонение u(t) от квазистационарного горения может достигать 32 %. Для состава ГКС с Alex зависимость u(t) также имеет колебательный характер приблизительно с той же частотой. Однако для этих составов отклонение от квазистационарного значения меньшее и достигает 28 %.

р{Щ, U(f)/u„ р(№,, и(Ч)Ш,

Рис. 18. Скорость горения ГКС на основе ПХА, НМХ и СКДМ-80, содержащей Alex (а) и АСД-4 (б), от времени вскрытия дополнительного сопла

В шестой главе представлен метод изготовления гелеобразного топлива, содержащего УДП алюминия, и методика исследования процесса воспламенения данных систем. Получены зависимости времени задержки воспламенения от температуры окружающей среды для рассматриваемых гелеобразных композиций.

Гелеобразное топливо приготавливалось путем диспергирования УДП алюминия Alex в керосине. Массовая доля алюминия в составе топлива составляла тм = 0.3. В экспериментах использовались УДП алюминия разных модификаций, полученные методом ЭВП в атмосфере разных газов -в аргоне (Alex (Аг)), в азоте (Alex (N2)), в смеси 30 % азота и 70 % аргона (Alex (0.7Ar+0.3N2)) и в смеси 75 % азота и 25 % аргона (Alex (0.3Ar+0.7N2)). Часть экспериментов проводилась для керосина, не содержащего порошка алюминия.

Для экспериментального исследования процесса воспламенения жидкого топлива при атмосферном давлении использовалась установка, схема которой приведена на рис. 19. Установка состоит из реактора в виде кварцевой трубы диаметром 90 и длиной 400 мм, установленной в электрическом нагревателе, системы впрыска топлива и системы измерения времени задержки воспламенения. Нагреватель обеспечивает диапазон температур в реакторе 300-800 °С. Температура воздуха в реакторе контролируется с помощью хромель-алюмелевой термопары 3 и усилителя.

Порядок проведения экспериментов следующий. В разборную форсунку 4 помещается порция топлива определенной массы. Реактор нагревается до заданной температуры и выдерживается в течение десяти минут для выравнивания температурного поля внутри трубы. С помощью

насоса в гидромагистрали повышается давление до порога срабатывания пружины форсунки 4 (-20 МПа), после чего порция топлива впрыскивается в реактор, где происходит его воспламенение и сгорание. Момент впрыска топлива ^ фиксируется появлением пика давления в гидромагистрали, измеряемого датчиком давления 1 и регистрируется на первом канале осциллографа. Момент воспламенения топлива /2 регистрируется с помощью фотодиода 5 на втором канале осциллографа. Время задержки воспламенения (при заданной калибровке осциллографа) определяется как = ¡2 - /].

1 - пьезометрический

датчик давления;

2 - кварцевое окно;

3 - термопара;

4 - форсунка;

5 - фотодиод;

6 - гидромагистраль

Рис. 19. Установка для измерения времени задержки воспламенения гелеобразных топлив

Некоторые результаты измерений, осредненные по пяти дублирующим опытам для каждого значения температуры, представлены рис. 20. Относительная погрешность измерения при величине доверительной вероятности 0.95 составляла 2-18 %.

Аппроксимация опытных данных проводилась с использованием зависимости (2). Полученные при этом значения параметров а, Ь приведены в табл. 14.

Из анализа

полученных результатов видно что, времена задержки воспламенения с ростом температуры от 300 до 700 °С уменьшаются (от 1.17 до 0.14-0.15 с для чистого керосина и от 1.13 до 0.06-0.08 с для керосина,

содержащего УДП алюминия).

Рис. 20. Время задержки воспламенения

гелеобразных топлив в зависимости от температуры воздуха в реакторе

Значения а и Ъ зависимости для гелеобразных топлив

Таблица 14

Топливо а 6-10J

Керосин 35.0 5.54

Керосин + Alex (Аг) 76.4 7.00

Керосин + Alex (0.7Ar+0.3N2) 221.0 8.09

При одинаковом значении температуры время задержки воспламенения гелеобразного топлива (керосин + УДП А1) меньше, чем для чистого керосина, при этом разница увеличивается с ростом температуры.

Таким образом, добавка УДП алюминия Alex в состав углеводородного топлива приводит к снижению времени задержки воспламенения в 1.052.00 раза при впрыске в нагретую газовую среду за счет возможного отслоения оксидной пленки от частиц алюминия в парах керосина с последующим развитием экзотермических реакций окисления алюминия и высокой активностью частиц УДП алюминия.

Исследование влияния химической активности УДП алюминия на время задержки воспламенения проводилось при впрыске топлива одноканальным распылителем при Т= 700 °С. Результаты измерений tigm осредненные по пяти дублирующим опытам, приведены в табл. 15. Для чистого керосина при аналогичных условиях проведения экспериментов tign = { 140 + 20) мс.

Таблица 15

Время задержки воспламенения керосина, содержащего

30 масс. % УДП алюминия, при Т= 700 °С _

Марка УДП Al Alex (Аг) Alex (0.7Ar+0.3N2) Alex (0.3AH-0.7N2) Alex (N2)

tign, МС 80 ± 15 70 ± 10 64 ±7 36 ±5

Как следует из представленных результатов, величина tigr, существенно завивисит от химической активности УДП алюминия. Время задержки воспламенения монотонно уменьшается по мере увеличения содержания азота в смеси газов, в атмосфере которых получали УДП алюминия. Так для Alex (N2), полученного в среде азота, величина tign = (36 ± 5) мс, а для порошка Alex, полученного в атмосфере аргона, величина tign= (80 ± 15) мс, то есть в 2.2 раза больше. Таким образом, с увеличением содержания азота, в среде которого получали УДП алюминия, химическая активность получаемого Alex возрастает в составе гелеобразных топлив.

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что УДП алюминия Alex, полученный методом ЭВП, обладает высокой химической активностью за счет развитой удельной площади поверхности порошка, меньшей толщины оксидного слоя частиц и температуры начала интенсивного окисления, по сравнению с микроразмерными порошками алюминия. С помощью ДТА определены температуры начала интенсивного окисления и степень окисленности

порошков алюминия в воздухе. Первая стадия окисления Alex определяется температурой начала интенсивного окисления равной -500 °С, вторая стадия - 710 °С. Для микроразмерного порошка алюминия АСД-4 температура начала интенсивного окисления равна 790 °С. Степень окисленности УДП Alex составляет 69 %, что в 2.6 раза больше, чем для АСД-4 в диапазоне температур воздуха 30-1000 °С. С помощью тепловизионной съемки определены осредненные по поверхности значения температур зажигания порошков алюминия в воздухе: -530 °С - УДП Alex, -790 °С -микроразмерный ПАП-2.

2. Экспериментально установлено, что замена микроразмерного порошка алюминия АСД-4 на УДП Alex в составе ГКС приводит к снижению времени задержки зажигания в 1.3-6.0 раз в условиях лучистого и кондуктивного нагрева за счет уменьшения размера, толщины оксидного слоя, времени прогрева частиц алюминия и увеличения тепловыделения в конденсированной фазе ГКС. Предложен возможный механизм объясняющий снижение времени задержки зажигания ГКС при увеличении дисперсности порошка алюминия, связанный с особенностями интенсивного окисления УДП алюминия Alex и структурообразования реакционного слоя ГКС.

3. Экспериментально установлено, что УДП железа и меди, полученные методом ЭВП, в количестве до 1 масс. % могут быть использованы в качестве катализаторов в процессах зажигания и горения составов ГКС на основе ПХА и бутилкаучука. Микроразмерные порошки хлорида олова, диоксида кремния и аморфного бора оказывают каталитический эффект на окисление частиц алюминия в составе ГКС на основе ПХА, бутадиенового каучука СКДМ-80. Эффективность влияния добавки данных порошков металлов на процессы зажигания и горения ГКС возрастает с уменьшением дисперсности порошка алюминия.

4. Экспериментально установлено, что замена микроразмерного порошка АСД-1 на УДП алюминия Alex в составе ГКС на основе ПХА и бутилкаучука приводит к увеличению скорости горения в 2.6 раза в зависимости от давления окружающей среды. Увеличение скорости горения ГКС может быть связано с высокой химической активностью и удельной площадью поверхности частиц, что приводит к появлению дополнительного тепловыделения в реакционный слой за счет экзотермического окисления частиц алюминия, к увеличению скорости реакции продуктов газификации в результате общего повышения температуры в зоне горения и каталитического влияния оксидного слоя частиц алюминия на термическое разложение перхлората аммония. Увеличение показателя в степенном законе скорости горения от 0.37 до 0.52 при замене микроразмерного АСД-1 на УДП алюминия Alex в составе ГКС связано с возможной агломерацией частиц на поверхности горения и полнотой сгорания наноразмерных частиц алюминия в газофазной зоне химических реакций.

5. На основе теории горения Беляева-Зельдовича предложена физико-математическая модель для оценки влияния размера частиц и содержания порошка алюминия на стационарную скорость горения ГКС. В рамках предлагаемой модели рассматривается горение ГКС с ведущей стадией в газовой фазе и диффузионным механизмом горения частиц алюминия в газофазной зоне реакций. Установлено, что результаты численного расчета коэффициента эффективности влияния добавки УДП алюминия на скорость горения ГКС имеет удовлетворительную сходимость с экспериментальными данными при содержании порошка алюминия до 10 масс. %.

6. Предложен метод, основанный на постановке и решении обратной задачи внутренней баллистики, для определения нестационарной скорости горения ГКС при резком сбросе давления в камере сгорания с использованием измеренной зависимости давления от времени в период нестационарного процесса. ОЗВБ-метод позволяет определить нестационарную скорость горения образцов ГКС в переходных режимах с учетом динамики изменения коэффициента расхода дополнительного сопла не только в лабораторных условиях, но и при измерениях в крупногабаритных твердотопливных установках и газогенераторах.

7. Результаты экспериментального исследования нестационарной скорости горения ГКС при резком сбросе давления в камере сгорания показали стабилизирующее влияние на процесс горения ГКС на основе ПХА, НМХ, СКДМ-80 замены микроразмерного порошка алюминия АСД-4 на УДП алюминия Alex. Амплитуда колебаний нестационарной скорости горения относительно квазистационарной зависимости для базового состава ГКС с УДП алюминия Alex меньше, чем для аналогичного состава ГКС с АСД-4, что свидетельствует о снижении чувствительности ГКС к быстрым изменениям давления в камере сгорания.

8. Экспериментальное исследование процесса воспламенения гелеобразных углеводородных топлив показало, что время задержки воспламенения керосина, содержащего 30 масс.% УДП алюминия Alex, меньше в 1.2-2.0 раза, чем для чистого керосина в зависимости от температуры воздуха в реакторе. На величину времени задержки воспламенения существенное влияние оказывает химическая активность УДП алюминия Alex. С ростом содержания азота в смеси газов, в среде которых проводился электрический взрыв проводников, величина времени задержки воспламенения уменьшается в 2.2 раза.

В результате выполненных исследований решена крупная научно-техническая задача, связанная с определением закономерностей зажигания и нестационарного горения нового класса ГКС, содержащих УДП алюминия, железа, меди, никеля и других металлов. Полученные экспериментальные и теоретические результаты являются основой для развития теории горения рассмотренных ГКС, а также для решения ряда практических задач, связанных с оценкой взрывобезопасности, расчетом переходных процессов в энергоустановках и разработкой систем инициирования.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах: Публикации в журналах рекомендованных ВАК

1. Ivanov Yu.F., Osmonoliev M.N., Sedoi V.S., Arkhipov V.A., Bondarchuk S.S., Vorozhtsov A.B., Korotkikh A.G., Kuznetsov V.T. Productions of ultra-fine powders and their use in high energetic compositions // Propellants, Explosives, Pyrotechnies. 2003. V. 28, No. 5. P. 319-333.

2. Архипов B.A., Иванов Г.В., Коротких А.Г., Сурков В.Г., Третьяков Н.С. Воспламенение гелеобразных топлив, содержащих ультрадисперсный алюминий // Химическая физика. 2003. Т. 22, № 8. С. 30-33.

3. Архипов В.А., Коротких А.Г., Кузнецов В.Т., Савельева JI.A. Влияние дисперсности добавок металлов на скорость горения смесевых композиций // Химическая физика. 2004. Т. 23, № 9. С. 18-21.

4. Архипов В.А., Бондарчук С.С., Коротких А.Г., Лернер М.И. Технология получения и дисперсные характеристики нанопорошков алюминия // Горный журнал. 2006. № 4. С. 58-65.

5. Архипов В.А., Коротких А.Г., Кузнецов В.Т., Синогина Е.С. Влияние дисперсности порошков металлов на характеристики кондуктивного и лучистого зажигания смесевых композиций // Химическая физика. 2007 Т. 26, № 6. С. 58-67.

6. Архипов В.А., Бондарчук С.С., Коротких А.Г., Ворожцов А.Б., БандераА., ГалфетиЛ., ДеЛукаЛ., Коломбо Г. Нестационарные эффекты при горении высокоэнергетических нанокомпозитов // Известия вузов. Физика. 2007. Т. 50, № 9/2. С. 3-12.

7. Архипов В.А., Коротких А.Г., Кузнецов В.Т., Раздобреев А.А. Зажигание смесевых композиций, содержащих нанопорошок алюминия, лучистым потоком тепла // Известия вузов. Физика. 2008. Т. 51, №8/2. С. 7-13.

8. Архипов В.А., Бондарчук С.С., Березиков А.П. Коротких А.Г. К расчету нестационарной скорости горения в рамках феноменологической теории // Известия вузов. Физика. 2009. Т. 52, № 7/2. С. 7-10.

9. Архипов В.А., Бондарчук С.С., Коротких А.Г. Методы измерения нестационарной скорости горения высокоэнергетических материалов // Химическая физика и мезоскопия. 2009. Т. 11, № 1. С. 5-13.

10. Сакович Г.В., Архипов В.А., Ворожцов А.Б., Коротких А.Г. Твердые ракетные топлива на основе двойного окислителя, содержащие ультрадисперсный порошок алюминия // Известия Томского политехнического университета. 2009. Т. 314, № 3. С. 18-22.

11. Архипов В.А., Бондарчук С.С., Коротких А.Г. Сравнительный анализ методов измерения нестационарной скорости горения. I. Методы исследования // Физика горения и взрыва. 2010. Т. 46, № 5. С. 82-87.

12. Архипов В.А., Бондарчук С.С., Коротких А.Г. Сравнительный анализ методов измерения нестационарной скорости горения. II. Результаты исследования // Физика горения и взрыва. 2010. Т. 46, № 5. С. 88-96.

13. Архипов В.А., Коротких А.Г., Кузнецов В.Т., Раздобрев А.А., Евсеенко И.А. Влияние дисперсности порошка алюминия на характеристики

зажигания смесевых композиций лазерным излучением // Химическая физика. 2011. Т. 30, № 7. С. 68-76.

14. Архипов В.А., Коротких А.Г. Особенности зажигания и термического разложения ВЭМ на основе нитрата аммония и активного связующего // Химическая физика и мезоскопия. 2011. Т. 13, № 2. С. 155-164.

15. Архипов В.А., Коротких А.Г., Громов A.A., Кузнецов В.Т., Пестерев A.B., Евсеенко И.А. Влияние каталитических добавок порошков металлов на зажигание высокоэнергетических материалов // Известия вузов. Физика. 2011. Т. 54, № 11/3. С. 299-306.

16. GromovA.A., Pautova Yu.I., Korotkikh A.G., Lider A.M., TeipelU., Chaplina E.V., Sigfusson T.I. Interaction of powdery Al, Zr and Ti with atmospheric nitrogen and subsequent nitride formation under the metal powder combustion in air // Powder Technology. 2011. Vol. 214. P. 229-236.

17. Arkhipov V.A., Korotkikh A.G. The influence of aluminum powder dispersity on composite solid propellants ignitability by laser radiation // Combustion and Flame. 2012. Vol. 159. Iss. 1. P. 409^115.

18. Архипов В. А., Коротких А.Г., Го ль дин В. Д. Оценка влияния дисперсности и содержания порошка алюминия на скорость горения гетерогенных конденсированных систем // Химическая физика и мезоскопия. 2012. Т. 14, №2. С. 161-174.

19. Коротких А.Г., Архипов В.А., Кузнецов В.Т., Евсеенко И.А. Влияние спектрального состава излучения на характеристики зажигания гетерогенных конденсированных систем // Химическая физика и мезоскопия. 2012. Т. 14, №2. С. 186-192.

20. Архипов В.А., Коротких А.Г., Парпиев А.Т. Анализ моделей горения частиц порошка алюминия в окислительных средах // Известия вузов. Физика. 2012. Т. 55, № 5/2. С. 17-23.

21. Чаплина Е.В., ПаутоваЮ.И., Коротких А.Г., ИльенокС.С., Громов A.A. Исследование процессов получения композиционных материалов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в системе «Zr-O-N» // Известия вузов. Физика. 2012. Т. 55, № 5/2. С. 283-287.

22. Архипов В.А., Бондарчук С.С., Коротких А.Г., Кузнецов В.Т., Громов A.A., Волков С.А., Ревягин JI.H. Влияние дисперсности алюминия на характеристики зажигания и нестационарного горения гетерогенных конденсированных систем // Физика горения и взрыва. 2012. Т. 48, №5. С. 148-159.

23. Патент на изобретение №2429282 по классу МПК C10L9/10, В82В 3/00. Способ получения смесевого твердого топлива / Архипов В.А., Ворожцов А.Б., Горбенко Т.И., Коротких А.Г., Савельева JI.A., Сакович Г.А. // Заявлено 10.12.2008. Опубликовано 20.09.2011. Бюл. № 26.

24. Патент на изобретение № 2423338 по классу МПК С06В 29/00. Способ регулирования скорости горения смесевого твердого топлива / Архипов В.А., Ворожцов А.Б., Горбенко Т.И., Коротких А.Г., Савельева JI.А., Сакович Г.В. // Заявлено 22.12.2008. Опубликовано 10.07.2011. Бюл. № 19.

Публикации в других научных изданиях

25. Коротких А.Г., Марыкин А.А. Экспериментальное исследование воспламенения гелеобразных топлив // Исследования по баллистике и смежным вопросам механики: Сб. статей / Под ред. И.Б. Богоряда - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2002. С. 53-54.

26. Arkhipov V.A., Korotkikh A.G., Kuznetsov V.T., Ilyin A.P., An V.V. Influence of aluminum dispersivity on the burning rate law of heterogeneous systems // High Energy Materials: Demilitarization and Civil Applications: Book of Proceedings International Workshop (HEMs-2004). - Biysk: FRPC «Altai», 2004. P. 116-117.

27. Коротких А.Г., Кузнецов B.T. О возможности взрывного режима при зажигании гетерогенных систем // Сопряженные задачи механики, информатики и экологии: Сб. материалов международной конференции. -Томск: Изд-во Том. ун-та, 2002. С. 108-109.

28. Vorozhtsov A., Arkhipov V., Bondarchuk S., Korotkikh А., Kuznetsov V., Surkov V., Sedoi V. Ignition and combustion of solid and gelled propellants containing ultra-fine aluminum // The 8th International Workshop on Combustion and Propulsion «Rocket Propulsion: Present and Future»: Book of Proceedings / Edited by L.T. DeLuca. - Pozzuoli, Naples, Italy: Aizago d'Adda (BG), 2003. 31-1-31-16.

29. Коротких А.Г. Анализ эффективности использования ультрадисперсного порошка алюминия в топливных композициях // Физика и химия высокоэнергетических систем: Доклады конференции / Под ред. Э.Р. Шрагера. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2003. С. 27-28.

30. Коротких А.Г. Экспериментальное исследование процессов горения ультрадисперсных металлических порошков в высокоэнергетических композициях // Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем: Сб. матер. IV Междунар. школы-семинара. Т. 1. - СПб.: БГТУ, 2004. С. 48-52.

31. Коротких А.Г. О влиянии дисперсности алюминия на скорость горения смесевых композиций // Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики: Докл. IV Всерос. конф. - Томск: Изд-во Том. ун-та 2004. С. 109-110.

32. Архипов В .А., Коротких А.Г., Кузнецов В.Т. Исследование процессов воспламенения и горения смесевых твердых топлив, содержащих ультрадисперсные порошки металлов // Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук. 2005. Вып. 1(42). С. 18-25.

33. Архипов В.А., Коротких А.Г., Кузнецов В.Т., Сурков В.Г. Применение ультрадисперсных порошков металлов в топливных композициях // XIII Симпозиум по горению и взрыву: Сб. докл. -Черноголовка, 2005. С. 4-1^1-5.

34. Arkhipov V.A., Korotkikh A.G., Kuznetsov V.T. Combustion of mixture compositions containing metal nanopowders // Nonequilibrium Processes. Vol.1. Combustion and Detonation / Edited by G.D.Roy, S.M. Frolov, A.M. Starik. - M.: TORUS PRESS Ltd., 2005. P. 279-286.

35. Архипов В.А., Коротких А.Г., Третьяков Н.С. Горение баллиститных порохов с катализаторами в условиях перегрузок // Химическая физика и мезоскопия. 2006. Т. 8, № 1. С. 114-123.

36. AnV.V., Arkhipov V.A., IlyinA.P., Korotkikh A.G., KwonY.-S., Tkhonov D.T. Fabrication, properties and application of electroexplosive aluminum nanopowders in highly energetic materials // Applied Particle Technology: Proceedings / Edited by H. Eichele. - Nuremberg, Germany: University of Applied Sciences. 2006. No. 14. P. 39^45.

37. Arkhipov V.A., Korotkikh A.G., Kuznetsov V.T., Vorozhtsov A.B. Ignition and combustion of propellants containing aluminum nanoparticles // Applied Particle Technology: Proceedings / Edited by H. Eichele. - Nuremberg, Germany: University of Applied Sciences. 2006. No. 14. P. 69-89.

38. Коротких А.Г. Скорость горения высокоэнергетических материалов при резком сбросе давления в камере сгорания // Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики: Матер. VI Всерос. науч. конфер. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2008. С. 133-135.

39. Сакович Г.В., Архипов В.А., Ворожцов А.Б., Коротких А.Г., Певченко Б.В., Попок Н.И., Савельева JI.А. Регулирование скорости горения ВЭМ с нанопорошками металлов // Высокоэнергетические материалы: демилитаризация, антитерроризм и гражданское применение: Доклады IV Междунар. конфер. «HEMs-2008». - Бийск: ФГУП «ФНПЦ «Алтай», 2008. С. 128-130.

40. Архипов В.А., Бондарчук С.С., Коротких А.Г. Режимы горения смесевых высокоэнергетических материалов при резком сбросе давления в камере сгорания // Внутрикамерные процессы и горение в установках на твердом топливе и в ствольных системах (ICOC-2008): Сб. трудов VI Всерос. конфер. - Ижевск: ИПМ УрО РАН, 2008. С. 132-135.

41. Arkhipov V.A., Korotkikh A.G., Evseenko I.O. Ignition of solid propellants based on ammonium nitrate by laser radiation // Nonequilibrium Phenomena: Plasma, Combustion, Atmosphere / Edited by G.D. Roy, S.M. Frolov, and A.M. Starik. - M.: TORUS PRESS, 2009. P. 255-256.

42. Arkhipov V.A., Bondarchuk S.S., Korotkikh A.G., Sakovich G.V., Vorozhtsov A.B. The comparative analysis of nonstationary burning rate of solid propellants // Proceedings of 8th International Symposium on Special Topics in Chemical Propulsion (8-ISICP). - Cape Town: University of Stellenbosch South Africa, 2009. P. 168-172.

43. Архипов В.А., Коротких А.Г. Расчет нестационарной скорости горения в рамках феноменологической теории // Фундаментальные основы баллистического проектирования: Сб. матер. Всерос. науч.-технич. конфер. -СПб.:Балт. гос. тех. ун-т, 2010. С. 103-106.

44. Архипов В.А., Коротких А.Г., Евсеенко И.А. Особенности зажигания высокоэнергетических материалов монохроматическим потоком // Труды Томского государственного университета. Т. 276. Сер. физико-математическая. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2010. С. 70-72.

45. Arkhipov V.A., Korotkikh A.G., Gromov А.А. Influence of the

composition of HEMs formulation on the ignition characteristics by laser radiation // International Autumn Seminar on Propellants, Explosives and Pyrotechnics (2011 IASPEP): Proceedings. - Beijing: Beijing Institute of Technology. P. 487-490.

46. Архипов B.A., Коротких А.Г., Федоров H.M. Влияние компонентного состава гетерогенных систем на характеристики зажигания тепловым излучением // Внутрикамерные процессы и горение в установках на твердом топливе и в ствольных системах (ICOC 2011): Сб. трудов VII Всероссийской конференции. - Ижевск: РИО ИПМ УрО РАН, 2011. С. 43-48.

47. Физика и химия горения нанопорошков металлов в азотсодержащих газовых средах / Громов А.А., Ильин А.П., Архипов В.А., Коротких А.Г., Хабас Т.А., Попенко Е.М., Дитц А.А., Толбанова JI.O. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2007. - 332 с.

48. Горение нанопорошков металлов / Громов А.А., Ильин А.П., Архипов В.А., Коротких А.Г., Хабас Т.А., Попенко Е.М., ДитцА.А., Толбанова JI.O., Строкова Ю.И. - Томск: Дельтаплан, 2008. - 382 с.

Подписано к печати 17.10.2012. Формат 60x84/16. Бумага «Снегурочка». Печать XEROX. Усл.печ.л. 2,31. Уч.-изд.л. 2,00.

_Заказ 1165-12. Тираж 120 экз._

Национальный исследовательский Томский политехнический университет Система менеджмента качества Издательства Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту BS EN ISO 9001:2008

ИШТЕДЬСТВОЖТПУ. 634050, г.Томск, пр. Ленина, 30 Тел./факс: 8(3822)56-35-35, www.tpu.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский

Томский политехнический университет» -

ВЛИЯНИЕ ДИСПЕРСНОСТИ ПОРОШКА АЛЮМИНИЯ НА ПРОЦЕССЫ ЗАЖИГАНИЯ И НЕСТАЦИОНАРНОГО ГОРЕНИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СИСТЕМ

01.04.17 - Химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных

состояний вещества

На правах рукописи

05201350257

Коротких Александр Геннадьевич

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Научный консультант: доктор физ.-мат. наук, профессор Архипов В.А.

Томск - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Список обозначений и сокращений............................................. 5

Введение.................................................................................. 9

Глава 1. Особенности зажигания и горения гетерогенных

конденсированных систем, содержащих ультрадисперсный

порошок металлов................................................................... 23

1.1. Способы получения и основные характеристики

ультрадисперсных порошков металлов....................................... 23

1.1.1. Характеристики дисперсного состава порошков металлов .... 23

1.1.2. Анализ способов получения ультрадисперсных порошков .... 29

1.1.3. Физико-химические свойства ультрадисперсных порошков металлов.......................................................................... 40

1.2. Требования к металлическим горючим как к компонентам гетерогенных конденсированных систем..................................... 41

1.3. Зажигание и горение гетерогенных конденсированных систем, содержащих ультрадисперсный порошок металлов........................ 44

1.3.1. Характеристики зажигания гетерогенных конденсированных систем.............................................................................. 45

1.3.2. Характеристики стационарного горения гетерогенных конденсированных систем................................................... 55

1.3.3. Характеристики нестационарного горения гетерогенных конденсированных систем................................................... 60

1.3.4. Гелеобразные топлива.................................................. 63

Глава 2. Исследование физико-химических характеристик

порошков алюминия................................................................ 68

2.1. Дисперсные характеристики порошков алюминия.................... 71

2.2. Определение удельной и насыпной плотности порошков алюминия............................................................................ 88

2.3. Определение гигроскопичности порошков алюминия

и адсорбции влаги....................................................................................................................................90

2.4. Определение содержания активного алюминия....................................................93

2.5. Определение температуры окисления порошков алюминия..................96

2.6. Горение порошка алюминия в воздухе......................................................................98

Глава 3. Экспериментальное исследование процессов зажигания

гетерогенных конденсированных систем..........................................................................105

3.1. Характеристики гетерогенных конденсированных систем....................105

3.1.1. Методика изготовления гетерогенных конденсированных систем........................................................................................................................................................106

3.1.2. Составы гетерогенных конденсированных систем..............................107

3.2. Зажигание гетерогенных конденсированных систем интегральным потоком излучения..........................................................................................107

3.2.1. Методика исследования................................................................................................107

3.2.2. Результаты исследования............................................................................................116

3.3. Зажигание гетерогенных конденсированных систем монохроматическим потоком излучения..........................................................................122

3.3.1. Методика исследования................................................................................................122

3.3.2. Результаты исследования............................................................................................130

3.3.3. Кинетические константы процесса зажигания........................................148

3.4. Влияние спектрального состава излучения на характеристики зажигания гетерогенных конденсированных систем..............................................150

3.5. Зажигание гетерогенных конденсированных систем кондуктивным потоком тепла........................................................................................................156

3.5.1. Методика исследования................................................................................................156

3.5.2. Результаты исследования............................................................................................158

3.6. Механизм зажигания гетерогенных конденсированных

систем................................................................................................................................................................173

Глава 4. Экспериментальное исследование процесса стационарного

горения гетерогенных конденсированных систем....................................................185

4.1. Составы гетерогенных конденсированных систем........................................185

4.2. Горение гетерогенных конденсированных систем в воздухе................188

4.3. Горение гетерогенных конденсированных систем в бомбе постоянного давления..........................................................................................................................188

4.4. "Результаты исследования..........................................................................................................190

4.4.1. Влияние содержания и дисперсности порошка алюминия..........190

4.4.2. Влияние содержания и дисперсности катализаторов........................195

4.5. Физико-математическая модель для оценки влияния размера частиц и содержания порошка алюминия на стационарную скорость горения гетерогенных конденсированных систем....................................................204

4.6. Результаты расчета......................................................................................................................215

Глава 5. Экспериментальное исследование процесса

нестационарного горения гетерогенных конденсированных систем .. 225

5.1. Составы конденсированных систем..................................................................................225

5.2. Горение конденсированных систем при резком сбросе давления

в полузамкнутом объеме..................................................................................................................226

5.3. Методика исследования..........................................................................................................228

5.3.1. Метод скоростной киносъемки............................................................................228

5.3.2. Метод обратной задачи внутренней баллистики..................................233

5.4. Результаты исследования..........................................................................................................237

5.4.1. Гомогенная конденсированная система........................................................237

5.4.2. Гетерогенная конденсированная система....................................................245

Глава 6. Экспериментальное исследование процесса воспламенения

гелеобразных топлив................................................................................................................................254

6.1. Составы и методика изготовления гелеобразных топлив..........................254

6.2. Воспламенение гелеобразных топлив........................................................................257

6.3. Результаты исследования..........................................................................................................258

Заключение........................................................................................................................................................266

Список литературы....................................................................................................................................270

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

Обозначения

В - параметр гашения;

Сп - счетная концентрация частиц алюминия в газовом потоке;

С„о - счетная концентрация частиц алюминия в составе ГКС;

I) - диаметр частицы;

А) - начальный диаметр частицы;

Е - энергия активации реакции окисления;

Е — площадь сечения сопла;

О - массовая скорость горения частицы алюминия;

Н- энтальпия;

/уд - удельный импульс;

- интегралы функций тепловыделения £)\{Т), (Т); К,ш„ - коэффициент эффективности добавки металлического горючего на время задержки зажигания ГКС;

Ки - коэффициент эффективности добавки металлического горючего на скорость горения ГКС; <2 - тепловой поток;

(2г(Т) - тепловыделение (объемная скорость выделения тепла) за счет горения летучих компонентов ГКС в газовой фазе;

(2г(Т) ~ тепловыделение (объемная скорость выделения тепла) за счет гетерогенной реакции горения на поверхности частиц алюминия; 0,Р{Т, Ть) - тепловыделение при испарении частиц алюминия; Я - универсальная газовая постоянная;

- газовая постоянная продуктов разложения; 5 - площадь поверхности; £уд - удельная площадь поверхности; Т- температура; То - начальная температура;

Tad - максимальная температура горения в газовой фазе безметальной системы;

Tadx - максимальная температура в зоне горения металлизированной системы;

Ть - температура кипения алюминия;

Tf- температура на фронте горения;

Tign— температура-воспламенения;

Тр - температура частицы;

Ts - температура поверхности горения;

Т* - температура, при которой пары продуктов разложения ГКС имели бы энтальпию, равную энтальпии жидкой ГКС при Г0; V- объем;

W - свободный объем камеры сгорания; а - коэффициент температуропроводности; с - удельная теплоемкость;

с„, cv, ст - счетная, объемная, массовая концентрация частиц; ср, - удельная теплоемкость частицы алюминия; срг - средняя удельная теплоемкость ГКС; ср v - удельная теплоемкость паров металла; d - диаметр;

h - толщина оксидной пленки; к - показатель адиабаты;

к0 - предэкспоненциальный множитель реакции окисления ГКС; I - длина; т — масса;

wai - массовая доля порошка алюминия на поверхности горения; тох - массовая доля окислителя у поверхности горения;

тох' - массовая доля окислителя на поверхности частицы алюминия;

тр - масса частицы; р - давление газовой фазы; г - радиус;

q - плотность потока излучения;

qo - теплота газофазной реакции горения ГКС на единицу массы топлива; 4ev ~ удельная теплота испарения алюминия;

qp - тепловой эффект реакции окисления на единицу массы порошка алюминия; t - время;

tign - время задержки зажигания;

и - скорость горения металлизированной ГКС;

щ - скорость горения безметальной ГКС;

ир - скорость горения частицы алюминия;

v0K - скорость окисления;

w - скорость газа;

wp - скорость частиц алюминия;

z - предэкспоненциальный множитель реакции горения частицы алюминия; а - коэффициент теплоотдачи от газового потока к поверхности частицы алюминия;

аок - степень окисленности;

£ох - степень черноты поверхности оксида алюминия; (р - коэффициент расхода; Я - коэффициент теплопроводности; 2 v- порядок реакции;

v23- массовый стехиометрический коэффициент;

р - плотность газа;

Ро - насыпная плотность;

рт - плотность смеси газа и частиц алюминия;

рох - плотность оксида алюминия;

рр - плотность алюминия;

ррг - плотность ГКС;

<т- постоянная Стефана-Больцмана.

Сокращения

Alex - ультрадисперсный порошок алюминия, полученный методом

электрического взрыва проводников;

НС1 - хлороводород;

НС104 — хлорная кислота;

НМХ - октоген;

Si02 - диоксид кремния;

SnCl2 - хлорид олова (II);

АСД - алюминий сферический дисперсный (микроразмерный порошок); БК - бутилкаучук;

ГКС - гетерогенная конденсированная система;

ГР - гамма-распределение;

ДТА - дифференциальный термический анализ;

JIHP - логарифмически нормальное распределение;

МПВТ-ЛД - метилполивинилтетразол;

НА - нитрат аммония;

НГУ - полиуретановая связка, пластифицированная нитроглицерином;

НСГ - нестационарная скорость горения;

ОГР - обобщенное гамма-распределение;

ОЗВБ - метод обратных задач внутренней баллистики;

ОКГ - оптический квантовый генератор;

ПХА - перхлорат аммония;

РДТТ - ракетный двигатель на твердом топливе;

СКДМ-80 - бутадиеновый каучук, пластифицированный трансформаторным маслом;

СТТ - смесевое твердое топливо; УДП - ультрадисперсный порошок алюминия; ЭВП - метод электрического взрыва проводников; ЭДС - электродвижущая сила;

ЭПП - метод электродуговой плазменной переконденсации.

ВВЕДЕНИЕ

Повышение энергетических характеристик гетерогенных конденсированных систем (ГКС) в последние 40 лет связано с использованием порошков металлов (в основном алюминия)-в качестве одного из основных компонентов, содержание которого в смесевых твердых топливах (СТТ) достигает 22 масс. %. Опыт использования, а также обширные экспериментальные и теоретические исследования таких топлив, проводившиеся в России, США, Западной Европе, Японии и Китае, выявили ряд их крупных недостатков, обусловленных недогоранием металла, двухфазными потерями удельного импульса тяги двигателя и эрозионным воздействием на стенки соплового блока.

Применение ультрадисперсных металлических порошков в гетерогенных конденсированных системах приводит к увеличению энергетических характеристик топлива или составов взрывчатых веществ, за счет высокой теплоты сгорания, снижению агломерации на поверхности горения, повышению удельного импульса, плотности топлива, устойчивости внутрикамерных процессов, повышению мощности взрывчатых составов [1-5].

Актуальность темы диссертации. В последние 15 лет в ряде развитых стран (США, Германия, Италия, Франция и др.) проводятся широкомасштабные исследования по созданию нового поколения твердотопливных и гелеобразных систем, содержащих порошки алюминия разной дисперсности. Проводимые работы представляют скоординированную совокупность фундаментальных и прикладных исследований в области создания перспективных ГКС на основе ультрадисперсного порошка (УДП) алюминия, что может обеспечить в ближайшем будущем появление и реальное внедрение ГКС с принципиально новым уровнем энергетических характеристик. В России исследования проблем создания ГКС с УДП алюминия в настоящее время ведутся в ИХКГ СО РАН (г. Новосибирск), ИПХЭТ СО РАН, ФНПЦ «Алтай» (г. Бийск), ФЦДТ «Союз» (г. Дзержинский),

НИИ ПММ ТГУ (г. Томск), ВАРВСН МО РФ (г. Москва), БГТУ «ВОЕНМЕХ» (г. Санкт-Петербург), ИХФ РАН (г. Москва), ИПХФ (г. Черноголовка) и других организациях.

В области технологии получения УДП металлов Россия занимает передовые -позицииг ~Найбш!ёе~ отработанной является технология получения УДП металлов методом электрического взрыва проводников (ЭВП), созданная в Институте высоких напряжений при Томском политехническом университете в 70 годах XX века. Установки для получения УДП металлов этим методом действуют в ИФПМ СО РАН, ИСЭ ТФ СО РАН и ИФВТ ТПУ (г. Томск). УДП алюминия марки Alex со средним диаметром частиц ~ 0.15 мкм, полученный методом ЭВП в г. Томске, используется в США, Италии, Франции, Японии, Китае, Германии, Южной Корее и т. д.

В настоящее время в открытой печати опубликован ряд работ по характеристикам зажигания и горения ГКС, содержащих УДП алюминия. Анализ этих работ показывает, что наибольший объем информации получен применительно к характеристикам стационарного горения ГКС в различном диапазоне давлений газовой среды. Вопросы, связанные с нестационарными процессами горения, в том числе и зажигания ГКС, изучены в литературе в гораздо меньшей степени. В частности, вопросам зажигания посвящены единичные публикации, относящиеся к гелеобразным системам, содержащим УДП алюминия (JT.A. Каледин, К.К. Куо, Б. Палашевски, США). Для твердотопливных гетерогенных систем получены экспериментальные данные по характеристикам зажигания монохроматическим потоком излучения и стационарного горения (J1.T. Де Люка, Италия, А.И. Этвуд, С. Прайс, М.М. Менч, США, К. Перю, Франция, П. Лессард, Канада). В то же время процессы зажигания и нестационарного горения ГКС представляют научный интерес с точки зрения развития теории горения конденсированных систем, так и практическую значимость при инициировании ГКС и их компонентов, оценке пожаро- и взрывобезопасности технологии их производства.

В связи с этим проведение комплексных экспериментальных исследований нестационарных процессов зажигания и горения на модельных составах ГКС, содержащих порошок алюминия разной дисперсности, создание физико-математической модели горения, учитывающей влияние размера частиц .и содержания- металлического горючего в составе ГКС, является актуальной проблемой, которая позволит разработать технологические принципы использования УДП алюминия в составе нового поколения ГКС.

Работа выполнялась в рамках трех федеральных целевых программ «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» при поддержке государственного контракта № 02.513.11.3009, «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы при поддержке государственных контрактов № П474, № 11.519.11.3004, в рамках восьми грантов РФФИ (проекты № 05-03-32729-а, 05-08-18237-а, 08-03-07011-д, 08-03-90701-моб_ст, 08-08-12013-офи, 09-03-90730-моб_ст, 10-03-90703-моб_ст, 11-03-90706-моб_ст).

Цель работы состоит в комплексном экспериментальном исследовании нестационарных процессов зажигания и горения модельных смесевых твердотопливных и гелеобразных композиций, содержащих порошки металлов разной дисперсности (алюминия, железа, никеля, меди) и в построении физико-математической модели горения гетерогенных конденсированных систем, учитывающей влияние размера частиц и содержания порошка алюминия.

В соответствии с этой целью были поставлены следующие задачи.

1. Исследование физико-химических свойств, определение дисперсных характер