Закономерности горения высокоэнергетических гетерогенных систем, содержащих ультрадисперсный алюминий, в широком диапазоне давлений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

На правах рукописи

Горбенко Татьяна Ивановна

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГОРЕНИЯ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ГЕТЕРОГЕНННЫХ СИСТЕМ, СОДЕРЖАЩИХ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫЙ АЛЮМИНИЙ, В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ДАВЛЕНИЙ

01.04.17 - Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск 2007

003061624

Работа выполнена в Томском государственном университете

Научный руководитель доктор физико-математических наук,

профессор Архипов Владимир Афанасьевич

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук,

профессор Кузнецов Гений Владимирович

доктор физико-математических наук, профессор Бондарчук Сергей Сергеевич

Ведущая организация ФГУП «Федеральный научно-

производственный центр «Алтай», г Бийск

Защита состоится «26» сентября 2007 г в_часов_минут на

заседании диссертационного совета ДС 212 024 01 при Томском государственном университете по адресу 634050, г Томск, пр Ленина, 36, НИИ ПММ ТГУ

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета

Автореферат разослан « 09 » û &t^fû/yj Си. 2007г

Ученый секретарь

диссертационного совета ДС 212 024 01 доктор физико-математических наук, профессор X^iffi'-' А Н Ищенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из основных проблем при разработке высокоэнергетических гетерогенных систем (ВГС) для твердотопливных ускорителей и маршевых двигательных установок ракетно-космических комплексов является расширение пределов регулирования их баллистических характеристик Окислитель и металлическое горючее оказывают существенное влияние на формировании уровня скорости горения Достаточно подробно изучены закономерности влияния характеристик перхлората аммония и микродисперсного алюминия на горение смесевых твердых топлив (СТТ) В перспективных топливах используют двойной окислитель перхлорат аммония (ПХА) — нитрамины (октоген (НМХ) или гексоген) и до 20 % микродисперсного алюминия

Известно, что применение ультрадисперсного алюминия (УДП AI) в СТТ приводит к существенному росту скорости горения и уменьшению среднемассового размера агломератов и повышению полноты энерговыделения при его окислении, что в свою очередь приводит к снижению двухфазных потерь удельного импульса Поисковые исследования по использованию УДП AI в ВГС интенсивно ведутся в России, Италии, США, Франции и других странах Экспериментальные результаты по влиянию дисперсности добавок металлов на скорость горения смесевых топлив приведены в последние годы в работах А Б Ворожцова, В А Бабука, В Н Симоненко, В Е Зарко, J1 Галфетти, А Г. Коротких, Е С Синогиной, Г Я. Павловца, JI Де Лука и др Анализ литературных данных по влиянию УДП AI на зависимость скорости горения от давления показал неоднозначность этой зависимости Для объяснения противоречивости этих результатов требуется дальнейшее исследование влияния УДП AI на режим горения смесевых топлив на основе ПХА

Выбор смешанного окислителя ПХА/НМХ в настоящем исследовании определяется как потребностью повышения энергетических характеристик, понижения агломерации алюминия, так и потребностью повышения экологической чистоты продуктов сгорания по сравнению с системами на исходном ПХА В данной работе впервые исследуются системы ПХА/НМХ, содержащие УДП AI, в широком диапазоне изменения коэффициента избытка окислителя (а) В работах О Г Глотова, Г Я Павловца, Е М Попенко и др исследовались системы на смешанном окислителе ПХА/НМХ, в которых в качестве металлического горючего использовался микронный алюминий В работах В Е Зарко приводятся результаты исследований систем на смешанном окислителе ПХА/НМХ, содержащих УДП AI, но при этом нет обоснования выбора количества вводимого НМХ и количества вводимого УДП AI, и не рассматривается вариация по а

Изучение закономерностей горения ВГС при субатмосферных давлениях позволяет определить более точно механизм влияния УДП AI, его место действия в процессе горения Такое исследование возможно за счет того, что химические реакции в условиях низких давлений протекают

медленнее, протяженность зоны горения значительно шире, чем при высоких давлениях Проведенные исследования при давлениях (0 03-6 0 МПа) показывают возможность расширения интервала давлений устойчивого горения ВГС, содержащих УДП А1, что расширяет область применения таких топлив (космическая техника, например) Исследования при субатмосферных давлениях за последнее время отмечены практически в единственной работе (Де Лука Transient Burning of Nanoalummized Solid Propellants, 2nd European Conference for Aerospace Sciences (EUCASS)), где рассматриваются перхлоратные топлива, содержащие УДП А1

Полученная в работе зависимость показателя степени в законе скорости горения от а системы позволяет выделить области, как повышения, так и снижения V при введении УДП А1 в состав ВГС, и объясняет расхождение экспериментальных данных различных авторов Впервые экспериментально установлено, что эффективная замена АСД-4 на УДП Al, приводящая к снижению V в степенном законе скорости горения возможна при а>0 5

В связи с этим, изучение механизма горения ВГС, комплексное экспериментальное исследование влияния УДП А1 на процессы термического разложения и воспламенения, рецептурное регулирование скорости горения высокоэнергетических систем на смешенном окислителе является актуальной задачей Накопление информации по механизму горения сложных многокомпонентных систем, содержащих УДП А1, является основой в уточнении теоретических моделей горения

Целью диссертационной работы является исследование закономерностей горения высокоэнергетических систем на смешанном окислителе ПХА/НМХ, содержащих ультрадисперсный алюминий марки «Alex», в широком диапазоне коэффициента избытка окислителя а, в интервале давлений 0 03-6 0 МПа

Научная новизна работы. Впервые исследованы закономерности горения высокоэнергетических систем на смешанном окислителе, содержащих ультрадисперсный алюминий, в широком диапазоне давлений в зависимости от изменения коэффициента избытка окислителя а Определены экспериментально и термодинамическими расчетами границы эффективного содержания металлического горючего в высокоэнергетических системах

Впервые установлено, что как в области субатмосферных давлений, так и в области рабочих давлений в двигателе путем варьирования коэффициента избытка окислителя возможно регулирование зависимости скорости горения от давления в системах на смешанном окислителе, содержащих УДП А1 Показано, что в диапазоне давлений 0 1—6 0 МПа эффективная замена микронного алюминия на ультрадисперсный, приводящая к снижению показателя v, характерна для значений а>0 55

Экспериментально обоснован метод подбора добавок, влияющих на законы горения систем, содержащих УДП А1 Выявлена общность полученных закономерностей для различных классов ВГС на инертных и активных горючих-связующих Показано эффективное использование смешанного металлического горючего в энергетических системах на

активных горючих-связующих Установлено, что определяющей характеристикой при анализе закономерностей горения различных ВГС является коэффициент избытка окислителя исследуемых систем Проведена аналитическая оценка влияния УДП А1 на скорость горения

Практическая значимость работы. На основе проведенных исследований определены параметры регулирования скорости горения высокоэнергетических систем на смешанном окислителе ПХА/НМХ, содержащих УДП AI Полученные в работе новые экспериментальные результаты, данные термодинамических расчетов и дифференциально-термического анализа создают информационное поле, обеспечивающее возможность уточнения теоретических моделей горения, а также создания рецептуры системы, отвечающей высоким энергетическим, баллистическим и экологическим требованиям

Результаты исследований по теме диссертации использованы при проведении работ по госбюджетной тематике НИИ ПММ ТГУ Исследования диссертационной работы проводились при финансовой поддержке грантов РФФИ (проекты № 05-03-32729 и 05-08-18237), а также в рамках государственного контракта № 02 513 11 3009 «Высокоэнергетические нанокомпозиты», выполняемого в соответствии с Федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 годы»

Достоверность научных положений и выводов, полученных в работе, следует из строгого физического обоснования проведенных экспериментов, использования классических апробированных экспериментальных методик, воспроизводимости экспериментальных данных, качественного и количественного соответствия с результатами, полученными другими авторами в пересекающихся областях исследований, а также из проведения статистического анализа экспериментальных данных по стандартным методикам

Положения, выносимые на защиту:

1 Положение о выборе оптимальной высокоэнергетической системы на смешанном окислителе ПХА/НМХ

2 Результаты экспериментального исследования скорости горения высокоэнергетических систем на смешанном окислителе в широком диапазоне давлений (0 03-6 0 МПа)

3 Зависимость закона скорости горения высокоэнергетических систем от дисперсности алюминия и коэффициента избытка окислителя

4 Положение о ведущей роли УДП А1 в процессе горения ВГС и подборе веществ, влияющих на горение систем, содержащих УДП А1

5 Положение о влиянии УДП А1 на закономерности горения высокоэнергетических систем различных классов

6 Аналитическая оценка влияния дисперсности алюминия на скорость горения гетерогенных систем

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на Международных и Всероссийских научных конференциях

«Физика и химия высокоэнергетических систем» Всероссийская конференция молодых ученых (Томск 2005, 2006, 2007), Всероссийская конференция молодых ученых «Проблемы механики теория, эксперимент и новые технологии» (Новосибирск 2005), «Решетневские чтения» Международная научная конференция (Красноярск 2005, 2006); «Физика и химия наноматериалов» Международная школа-конференция молодых ученых (Томск 2005), Всероссийская научно-техническая конференция «Энергетика экология, надежность, безопасность» (Томск ТПУ, 2005), Международная конференция «Проблемы баллистики-2006», V Международная школа-семинар «Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем» (С - Петербург 2006), «Энергетические конденсированные системы» Всероссийская конференция (Черноголовка 2006), «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» Всероссийская конференция (Томск 2006), Международная научная конференция «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск 2007), Всероссийская научно-практическая конференция «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск ТПУ, 2007), International Symposium on Nonequihbnum Processes, Combustion, Plasma, and Atmospheric Phenomena (Sochi 2007).

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 24 печатных работах Список публикаций представлен в конце автореферата

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка используемой литературы

Диссертация изложена на 141 странице машинописного текста, содержит 14 рисунков, 25 таблиц, библиография включает 112 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, перечислены полученные в диссертации новые результаты, отмечена их практическая ценность, представлены положения, выносимые на защиту

Первая глава носит обзорный характер Из анализа литературных данных следует, что результаты многих работ противоречивы в части по влиянию УДП Al на такую важную характеристику, как показатель степени в законе горения Многие работы носят констатирующий характер, излагая материал без глубокого анализа сущности протекающих процессов Это, по-видимому, связано с начальным накопительным этапом информационной базы по влиянию УДП AI на горение ВГС Влияние микронного алюминия на процессы горения ВГС исследовано достаточно полно Практически отсутствуют данные по горению ВГС, содержащих УДП Al, при субатмосферных давлениях Отсутствуют необходимые данные по управлению процессом горения перхлоратных топливных систем, содержащих циклические нитрамины и УДП AI Исходя из анализа научных публикаций, в первой главе формулируются цели и направления настоящего

исследования на дальнейшее развитие и понимание физики горения ВГС, содержащих ультрадисперсный алюминий

• Выбор рецептуры топлива с высокими энергетическими характеристиками на основе ПХА, содержащего ультрадисперсный алюминий, октоген, инертное горючее-связующее

• Исследование влияния УДП А1 на закономерности горения систем на смешанном окислителе

• Регулирование скорости горения и ее зависимости от давления в высокоэнергетических системах на смешанном окислителе ПХА/НМХ за счет варьирования коэффициента избытка окислителя и дисперсности металлического горючего

• Подбор добавок, влияющих на законы горения композиций на смешанном окислителе, содержащих УДП А1

• Выявление общности влияния УДП А1 на закономерности горения топлив различных классов на инертных и активных горючих-связующих

Во второй главе рассмотрены используемые в работе методы расчета и экспериментального исследования процессов и механизмов горения высокоэнергетических гетерогенных систем в диапазоне давлений 0 03-0 6 МПа

Расчет эквивалентных формул и компонентного состава ВГС по заданному коэффициенту избытка окислителя проведен по стандартной методике с использованием разработанного автором программного обеспечения Эквивалентная формула топливной системы записывалась в виде А^ а12 аЦз А^, где А' - символ /-того химического элемента, Ь, - количество атомов г-того химического элемента Количества атомов

каждого элемента определялось по формуле Ь, = М, ]Г—- г,, где I — число

,=1 М,

компонент в топливной системе, — количество атомов первого элемента в г-той компоненте, М, - молекулярная масса каждой компоненты, г, - массовая доля каждой компоненты Основной характеристикой топливных систем является коэффициент избытка окислителя исследуемой системы, рассчитываемый с учетом эквивалентной формулы каждого топливного компонента и процентным содержанием последнего в системе Коэффициент избытка окислителя определялся по формуле _ Ъ{кол атомов окисл элементах, валентность) Х(кол атомов восстанов элементах.валентность) Термодинамические расчеты удельного импульса, адиабатической температуры горения, молярной массы газовой фазы, содержания хлорида водорода, конденсированной двуокиси алюминия, нитрида алюминия в продуктах сгорания проведены по программе «Астра-4», разработанной МГТУ им Н Э Баумана

Рассмотрены технология изготовления и методика контроля плотности исследуемых образцов Проведена оценка пористости по относительной плотности образцов П=(1-Ропыг/рРасм) ЮО %, где ропыт, ррасч - опытная и расчетная плотности образцов

Процессы термического разложения компонентов ВГС исследованы с использованием методов дифференциально-термического анализа (ДТА) и дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) системы METTLER TOLEDO, при темпе нагрева 10 К/мин, в диапазоне температур (323 - 823) К, навеска вещества составляла от 1 16 до 4 63 мг

Для изучения характеристик кондуктивного зажигания использована методика зажигания гетерогенных систем на нагретом металлическом блоке в среде воздуха при атмосферном давлении Эксперименты проведены в диапазоне температур нагрева металлического блока 643-702 К Диаметр образцов — 10 мм, высота — 5 мм Расчет параметров формальной кинетики предэкспонента и энергии активации проведен с учетом экспериментальных значений и аналитической зависимости для времени зажигания

t3 = 1 18^1 - Y^jTs - Ти ' где Т» ~ начальная температура

топливной системы, Ts - температура нагретого металлического блока, с - теплоемкость, QZ — предэкспонент, Е — энергия активации, Ro - универсальная газовая постоянная

Измерение скорости горения при атмосферном давлении проводилось на открытом воздухе Сжигали образцы диаметром 10 мм, высотой 30-35 мм, бронированные по боковой поверхности двумя слоями клея БФ-2 Поджиг осуществляли нихромовой спиралью, время сгорания образцов измеряли секундомером Измерение скорости горения в диапазоне р= 0 1-6 0 МПа проводилось в приборе постоянного давления в атмосфере азота Использовались образцы диаметром 10 мм и высотой 30 мм, которые изготавливались методом проходного прессования Образцы запрессовывались в эбонитовые цилиндрические втулки Использовались образцы с пористостью не выше 5 % Изучение горения в диапазоне субатмосферных давлений (0 03-0 10 МПа) проводилось с использованием вакуумной установки Проведены оценки погрешностей экспериментальных данных по стандартным зависимостям с использованием программы MathCAD Professional (Statistics) Разброс в параллельных определениях экспериментальных значений не превышал 15 %

Третья глава посвящена исследованию процессов горения высокоэнергетических систем, содержащих ультрадисперсный алюминий в широком диапазоне давлений на основе выбранной эффективной высокоэнергетической гетерогенной системы на смешанном окислителе ПХА/НМХ взятом в соотношении 1/1

В разделе 3 1 выбор базовой системы проведен с учетом требований, предъявляемых к высокоэнергетическим гетерогенным системам, с учетом влияния дисперсности октогена на характеристики горения систем, а также

определения эффективного содержания алюминия в системах на основе перхлората аммония

В энергетических системах соотношение окислителя и горючего оказывает существенное влияние на удельный импульс и состав продуктов сгорания. В работе рассмотрена система «окислитель - горючее-связующее -алюминий» В качестве горючего использовался каучук СКДМ-80 В качестве окислителя - чистый ПХА и смешанный окислитель ПХА/НМХ В качестве алюминия — АСД-4, УДП А1 Варьировалось соотношение ПХА/НМХ от 100/0 до 0/100 % Также варьировалось значение коэффициента избытка окислителя (а) от 0 3 до 0 7 Для базовой системы рассматривалось следующее соотношение компонентов отношение ПХА/НМХ как 1/1, алюминия - 15 мае % и горючее-связующее

Выбор состава смешанного окислителя проведен с учетом основных требований возможной минимизации температуры начала интенсивного разложения смешанного окислителя и общего содержания соединений хлора в нем, повышенного кислородного баланса исследуемой системы и коэффициента избытка окислителя системы, высокого удельного импульса и максимальной адиабатической температуры горения, пониженным содержанием хлорида водорода в продуктах сгорания смешанного окислителя

Результаты предварительно проведенного ДТА показали, что температура начала интенсивного разложения составляет для чистого ПХА Тнир=717 К, для НМХ Гнир=561 К, для смешанного окислителя ПХА/НМХ (в соотношении 1/1) 7нир=511 К

Визуальное наблюдение взаимодействия кристаллов ПХА и НМХ, смоченных каучуком СКДМ-80, на нагретой пластине, под микроскопом, показало, что в месте соприкосновения исходных кристаллов ПХА и НМХ при наличии прослойки связки, последняя окисляется, сползает с кристалла ПХА, что обеспечивает контакт между кристаллами ПХА и НМХ В месте контакта образуется жидкая фаза, приводящая к взрыву Взрыв происходит при температуре 463-473 К В этом случае можно говорить об образовании эвтектики, то есть реакционной жидкой фазе, которая разлагается со взрывом Так как образование активной жидкой фазы происходит в месте контакта исходных компонентов, то наибольшее число контактов реализуется при соотношении 1/1 Результаты ДТА и визуальное наблюдение взаимодействия кристаллов под микроскопом показали целесообразность выбора смешанного окислителя в соотношении 1/1, обладающего низкой термостойкостью и экзотермическим характером разложения, что может оказывать влияние на горение таких смесей и топлив на их основе

Проведены термодинамические расчеты для смешанного окислителя ПХА/НМХ, взятого в соотношении от 100/0 до 0/100 % при рк/ра-40/1, где рк и р3 давление в камере и на выходе из сопла, соответственно На основании ДТА и результатов термодинамического расчета получено, что смешанный окислитель ПХА/НМХ в соотношении 1/1, обладает следующими характеристиками- удельный импульс /уд=263 8 с, 7^=3066 К, содержание

НС1 в продуктах сгорания смеси g-hci=4 05 моль/кг, Гнир=5 11 К, кислородный баланс Кбал=1 59, а=1 13

Увеличение содержания октогена в смешанном окислителе с одной стороны приводит к возрастанию термодинамического удельного импульса, адиабатической температуры горения, снижению содержания НС1 в продуктах сгорания, но с другой стороны приводит к снижению кислородного баланса и а системы, повышению температуры начала интенсивного разложения окислителя, повышению взрывоопасное™ и снижению технологичности изготовления ВГС на основе смешанного окислителя

Таким образом, при сохранении достаточной энергетики, наиболее полного контакта компонентов окислителя, экологически приемлемого содержания соединений хлора в продуктах распада окислителя, технологичности целесообразен выбор смешанного окислителя ПХА/НМХ в соотношении 1/1

Проведены исследования по влиянию дисперсности октогена на характеристики горения ВГС на смешанном окислителе, содержащих 15 мае % алюминия УДП А1 марки «Alex», полученного электровзрывом проволочек в аргоне, среднемассовый диаметр частиц (А,3=0 18 мкм) и АСД-4 (D43=7 34 мкм) Получено, что при низких а (0 3-0 4) топливных систем, содержащих микронный алюминий замена в смешанном окислителе мелкого НМХ (70-100 мкм) на крупный (200-630 мкм) приводит к одновременному повышению скорости горения и ее зависимости от давления Замена АСД-4 на УДП А1 усиливает обнаруженный эффект Повышение а системы (а=0 5) сглаживает влияние дисперсности НМХ на скорость горения Характер полученной зависимости подтверждает определенную роль контакта между частицами исходных компонентов смешанного окислителя С ростом а топливных систем скорость горения композиции практически перестает зависеть от дисперсности октогена, хотя при низких а влияние дисперсности НМХ остается значительным

Для определения оптимального содержания металлического горючего в рецептуре высокоэнергетической системы проведены термодинамические расчеты и экспериментальные исследования по воспламенению и горению

Термодинамические расчеты проведены для системы на основе чистого перхлората аммония, содержащей горючее-связующее - каучук СКДМ-80 при а=0 7 Варьировали содержание алюминия от 0 до 25 мае % за счет изменения соотношения окислителя и связки, pjpa=45/1 Показано, что введение металла до 20 мае % увеличивает удельный импульс от 253 с (для безметальной системы) до 279 с и одновременно снижает содержание хлорида водорода в продуктах сгорания почти на 30 % Последнее важно при обеспечении экологической чистоты продуктов сгорания Введение в рецептуру исследуемой системы алюминия свыше 20 мае % приводит к снижению удельного импульса Расчеты, проведенные для систем на смешанном окислителе, показали эту же закономерность

В экспериментах использовали ПХА фракции 160-315 мкм, металлическое горючее - алюминий АСД-4 и УДП А1 Скорость горения определяли при атмосферном давлении на воздухе Влияние вводимого алюминия оценивали по отношению скоростей горения соответствующих металлизированных систем к безметальной, а эффективность (Ки) УДП А1 по отношению к системам, содержащим АСД-4, при прочих равных условиях, оценивали как отношение скорости горения систем с УДП А1 к скорости горения систем с АСД-4 Результаты опытов приведены в табл 1

Показано, что введение металлического горючего увеличивает скорость горения топлив Замена АСД-4 на УДП А1 при прочих равных условиях приводит к росту скорости горения Эффективность замены АСД-4 на УДП А1 зависит от содержания металла в системе и падает при содержании алюминия выше 15 мае %

Таблица 1

Состав топлива А1, мае % Скорость горения, мм/с для систем Влияние Ки

без А1 АСД-4 УДП А1 АСД-4 УДПА1

ПХА, СКДМ-80 0 0 99±0 07 - - - - -

5 - 1 03±0 05 1 49±0 06 1 04 1 50 1 40

10 - 1 05±0 03 1 76±0 22 1 06 1 78 1 68

15 - 1 14±0 13 213±0 57 1 15 2 15 1 87

20 - 1 33±0 32 2 27±0 25 1 34 2 27 1 71

Рассмотрено влияние содержания и дисперсности алюминия на время задержки воспламенения перхлоратных систем с а=0 7 Получено, что время задержки воспламенения для систем, содержащих микронный алюминий, больше, чем для систем с таким же содержанием УДП А1 Составы с УДП А1 зажигаются во взрывном режиме, то есть появление пламени сопровождается резким звуковым эффектом Определено, что исследуемые системы устойчиво зажигаются при температуре свыше 630 К При температурах ниже 630 К наблюдается пиролиз без появления пламени

На основании экспериментальных данных по воспламенению и аналитической зависимости для времени зажигания проведена оценка констант формальной кинетики энергии активации (Е), предэкспонента (<3 2) и энтальпии активации (ДЯ|) в указанном интервале температур Кинетика зажигания топливных систем приведена в табл 2

Таблица 2

А1, мае % Время задержки воспламенения, с «22, кДж/(кг с) Е, кДж/моль Д#ь кДж/моль Интервал температур, К

АСД-4, 5 % 17 1±5 84 4 19 109 97 50 92 01 643-666

УДП А1, 5 % 13 7±2 07 14 92 Ю10 11661 110 99 654-690

АСД-4, 10 % 13 7±3 96 4 73 Ю10 111 24 105 55 661-702

УДП А1, 10 % 10 1±4 42 10 77 10й 126 79 121 05 665-701

Показано, что для обеспечения высокого удельного импульса, высокой скорости горения, уменьшения влияния нитридообразования на скорость горения, эффективной замены микронного алюминия на УДП обоснованным является введение УДП А1 в перхлоратные системы не более 15 мае %

Таким образом, выбрана эффективная высокоэнергетическая базовая система на смешанном окислителе ПХА/НМХ в соотношении 1/1, содержащая.

— инертное горючее — СКДМ-80,

— ПХА дисперсностью 160-315 мкм,

- НМХ дисперсностью 200-630 мкм,

- металлическое горючее в количестве 15 мае % УДП Al марки «Alex» (¿>43=0 18 мкм) и в качестве эталона АСД-4 (D43=7 34 мкм)

В табл 3 приведены компонентные составы базовых систем Все исследования проводились параллельно для двух типов порошков алюминия АСД-4 и УДП А1

Таблица 3

Состав а Содержание компонентов, мае %

№ Алюминий ПХА НМХ Связка

1 03 15 0 32 2 32 2 20 6

2 04 15 0 35.5 35 5 14 0

3 0 45 15 0 36 8 36 8 11 4

4 05 15 0 37 9 37 9 92

5 0 55 15 0 38 8 38 8 74

6 07 15 0 75 4 - 96

7 07 20 0 72 3 - 77

В разделе 3 2 представлены результаты и анализ исследования процессов горения ВГС в зависимости от а систем в диапазоне давлений 0 1-60 МПа Эксперименты проводились в приборе постоянного давления Исследовались составы 1,2,4 Скорость горения характеризовали величиной, являющейся средней арифметической из 3-5 параллельных опытов Получено, что при горении систем базового состава в указанном диапазоне давлений выполняются общие закономерности не зависимо от природы металлического горючего и его дисперсности при увеличении а наблюдается рост скорости горения в рассматриваемом диапазоне давлений, увеличение давления приводит к росту скорости горения Указанные закономерности согласуются с данными других авторов Получено, что для систем на смешанном окислителе на инертном связующем замена микронного алюминия на УДП приводит к увеличению скорости горения в три и более раз во всем диапазоне давлений при прочих равных условиях

Обобщение экспериментальных данных по горению позволило получить эмпирические формулы законов скорости горения в диапазоне 0 1-60 МПа В работе принята аппроксимация скорости горения степенным законом

ч Ратм у

где щ - скорость горения при атмосферном давлении, мм/с, р — давление в камере, МПа, /?атм — атмосферное давление, МПа, V — показатель степени в законе скорости горения Константы в законе скорости горения приведены в табл 4 Зависимость показателя степени в законе скорости горения от а

приведена на рис 1 Для составов, содержащих УДП А1, характерна параболическая зависимость V от а Для составов с микронным алюминием наблюдается монотонный рост V при увеличении а Эффективная замена АСД-4 на УДП А1, приводящая к снижению V, возможна при а выше 0 55

Б разделе 3 3

представлены результаты по горению ВГС при субатмосферных давлениях, что позволяет получить более точные представления о механизме горения При понижении давления

химические реакции идут медленнее, что способствует более яркому проявлению механизма влияния исходных компонентов, их соотношений, вводимых добавок на характеристики горения исследуемых систем

Исследовались составы 1-5 Коэффициент избытка окислителя варьировался от 0 3 до 0 55 Скорость горения определяли в диапазоне давлений 0 03-0 10 МПа (250-760 мм На рис 2 и 3 приведены зависимости скоростей горения от давления Исследуемые системы отличаются природой металлического алюминия На рис 2 - системы, содержащие АСД-4, а на рис 3 — содержащие УДП А1

Анализ полученных данных позволяет сделать следующие выводы

• Повышение коэффициента избытка окислителя топливной композиции, независимо от природы металлического горючего, расширяет диапазон низких давлений устойчивого горения композиций

• Замена микронного алюминия на УДП во всем исследованном диапазоне давлений увеличивает скорость горения в 1.5 и более раз

• С понижением давления, скорость горения топливных композиций уменьшается, что согласуется с данными ряда авторов

Таблица 4

а АСД-4 УДП А1

«1 V «1 V

03 0 85 0 34 1 59 0 39

04 1 14 0 40 1 37 0 77

05 0 75 0 54 169 0 69

1

I УДП A1 1-

\уГ Ч V. ,

/

/

- АСД-4 _

0 25 03 0 35 04 0 45 05 0 55 а Рис 1 Зависимость показателя степени в законе скорости горения от коэффициента избытка окислителя в диапазоне давлений 0 1-6 0 МПа

и, мм/с 20

0 04 0 06 0 08 0 10 р, МПа

Рис 2 Скорость горения ВГС с АСД-4 в зависимости от давления 1 - а=0 3,2-а=0 4,3- а=0 5

О 06 0 08 0 Юр, МПа Рис 3 Скорость горения ВГС с УДП А1 в зависимости от давления 1 — а=0 3,2 — а=0 4,3- а=0 5

К„ " 25

1 5 1

05

|а=0 5 |_

а= 33 Л

< >- ■Л /—"— —3

|а=0 4 |

0 04 0 05

0 06 0 07 0 08 р, МПа

0 09 0 1

На рис 4 приведены зависимости эффективности замены АСД-4 на УДП А1 в исследованном интервале давлений Следует отметить, что для систем с а равным 0 3 и 0 4 характерно снижение эффективности замены АСД-4 на УДП с понижением давления, для систем с а=0 5 отмечено резкое повышение эффективности проведенной замены Повышение а приводит к увеличению полноты прохождения химических реакций, температуры горения Возрастает скорость химических реакций Высокая скорость горения, по-видимому, обусловлена большим тепловыделением в конденсированной фазе Установленный новый эффект повышение эффективности замены АСД на УДП А1 по мере снижения давления при а=0 5 позволяет говорить о том, что основное влияние УДП А1 происходит в конденсированной фазе.

Табли а 5 Константы в законе скорости

Рис 4 Эффективности замены АСД-4 на УДП А1

горения в диапазоне давлении 0 03-0 10 МПа представлены в табл 5 Изучение законов горения топливных систем при

субатмосферных давлениях

подтвердило характер зависимости показателя степени в законе горения от коэффициента избытка окислителя, полученной при высоких давлениях Качественно картина совпадает полностью, однако, следует отметить, что при высоких давлениях снижение V в законе горения при замене АСД на УДП наблюдается для несколько завышенных а по сравнению с системами, горящими при давлениях ниже атмосферного На

а АСД-4 УДПА1

щ V «I V

03 0 73 0 53 1 08 0 70

04 0 98 0 68 132 1 13

0 45 - - 1 85 0 79

05 1 06 0 96 2 23 0 65

0 55 - - 2 39 0 59

рис. 5 представлена зависимость показателя степени в законе скорости горения от а в диапазоне субатмосферных давлений Проведены термодинамические расчеты составов 1-5, pjp^=1 00/0 33 Анализ расчетных и экспериментальных данных позволяет сделать следующие выводы

• Параболическая зависимость v от а свойственна системам, содержащим УДП А1 при прочих равных условиях

• Для а=0 3,0 4 адиабатическая температура горения систем изменяется от 2146 К до 2653 К При повышении а значение 7ад увеличивается до 3083 К

• Удельный импульс при росте а от 0 3 до 0 5 повышается Дальнейший рост а до 0 7 способствует снижению /уд

• В рассмотренном диапазоне а в продуктах сгорания увеличивается содержание хлорида водорода и нитрида алюминия

Для последнего показателен сам факт наличия такой зависимости Количественно содержание нитрида алюминия фиксируется на уровне следов Известно, что при горении УДП А1 при температурах -3000 К в продуктах сгорания образуется до 50 мае % A1N при стандартных условиях

Предположение, что характер расчетной зависимости с поправкой на количественный выход A1N при горении УДП А1, сохраняется, позволяет

объяснить параболическую зависимость v от а для топливных систем, содержащих УДП А1 Образование A1N идет с поглощением тепла, что замедляет скорость протекания параллельных химических реакций, и, следовательно, снижает суммарную скорость горения

Параболическая зависимость v от а для систем с УДП А1 позволяет конструировать рецептуры топлив с регулируемым законом горения Аналогичных зависимостей v от а для систем, содержащих УДП А1 в литературе не обнаружено Установленная закономерность позволяют объяснить кажущиеся противоречия, полученные разными авторами по влиянию УДП А1 на закон скорости горения топливных систем

Для подтверждения полученных закономерностей проведено исследование горения ВГС на чистом ПХА - составы 6 и 7, здесь варьируется как количество, так и дисперсность алюминия Эксперименты проведены в диапазоне давлений 0 03-0 1 МПа Скорость горения (и), эффективность введения УДП А1 (Кудшлсд), значения показателя (v) в

\—

/

/ \ i 1, АС, Д-4 |

/

А ' V

u

02 03 04 0 5 06 07 о

Рис 5 Зависимость показателя степени в законе скорости горения от коэффициента избытка окислителя в диапазоне давлений 0 03-0 1 МПа

степенном законе скорости горения перхлоратных составов представлены в табл 6

Таблица 6

р, МПа и, мм/с

Состав № 6 Состав № 7

АСД-4 УДПА1 КуДП/АСД АСД-4 УДПА1 КУДПУАСД

0 1 1 14 2 13 1 87 133 2 29 1 71

0 05 0 72 1 65 2 29 081 - -

0 04 0 56 1 26 2 25 0 62 - -

0 03 0 37 0 96 2 59 - - -

V 0 88 0 60 081

Независимо от природы металлического горючего (АСД-4 или УДП) наблюдалось устойчивое горение систем в рассматриваемом диапазоне давлений По мере снижения давления происходило и снижение скорости горения Замена АСД-4 на УДП позволяет увеличить скорость горения в 18-26 раз при прочих равных условиях

Получено, что с ростом содержания АСД-4 от 15 до 20 мае % понижается показатель v в степенном законе скорости горения с 0 88 до 0 81 Замена 15 мае % АСД-4 на соответствующее количество УДП А1 также приводит к снижению v от 0 88 до 0 60 Полученные результаты согласуются с данными других авторов

Эффективность введения УДП А1 по отношению к АСД-4 повышается с понижением давления Это качественно совпадает с поведением эффективности для систем на смешанном окислителе при высоких значениях а в области субатмосферных давлений Возможно, повышение эффективности введения УДП при снижении давления связано с тем, что при снижении температуры горения ведущей реакцией окисления алюминия становится экзотермическая реакция образования А1203 При низких температурах (-1500 К) с выделением теплоты образуются также А120 и A1N

В четвертой главе рассмотрено влияние добавок на горение гетерогенных систем, содержащих УДП Al, с целью выявления ведущего компонента при горении Определен подход к выбору эффективных веществ, влияющих на закон скорости горения систем с УДП Al, показано влияние УДП Al на закономерности горения топлив различных классов, получена аналитическая оценка влияния дисперсности алюминия на скорость горения ВГСс УДП Al

В разделе 41 рассмотрено термическое разложение механических смесей окислителя ПХА/НМХ и металлического горючего в присутствии оксида меди, диоксида свинца и хлорида олова Соотношение компонентов смесей аналогично соотношению этих веществ в ВГС В табл 7 приведена оценка эффективности влияния металла различной дисперсности на температуру начала интенсивного разложения смесей (Кг*) и эффективности влияния металла на тепло (Kg**), необходимое для распада смеси в присутствии либо АСД-4, либо УДП А1 (для первой стадии разложения) с учетом того, что исходный смешанный окислитель, не содержащий

алюминий начинает интенсивно разлагаться при 509 К, а тепловой эффект реакции при этом равен 376 6 Дж/г

_Таблица 7

Окислитель Кг* К

АСД-4 УДП А1 АСД-4 УДП А!

ПХА/НМХ 1 09 1 18 1 18 132

ПХА/НМХ+СиО 1 07 1 11 4 27 1 37

ПХА/НМХ+РЬОз 1 03 1 04 3 37 2 81

ПХА/НМХ+БпСЬ 1 08 1 06 1 42 0 47

Тепловой эффект реакции существенным образом зависит от природы металлического горючего и вводимой добавки Для смесей окислитель -микронный алюминий требуется большая затрата тепловой энергии для разложения, чем для смесей окислитель - УДП А1 Для разложения смеси окислитель - УДП А1 в присутствии хлорида олова требуется минимальная затрата тепловой энергии

В разделе 4 2 приведены экспериментальные данные по влиянию оксида меди и диоксида свинца на закон скорости горения в интервале давлений (2 0-6 0) МПа (табл 8), а также приведены эффективности добавок как в безметальных системах, так и в системах, содержащих алюминий различной дисперсности (при р-2 0 МПа) Исследовали системы с а=0 4 Добавки вводили в количестве 2 мае % сверх 100 %

Таблица 8

и, мм/с V

№ Состав 2 0 МПа 4 0 МПа 2 0-4 0 МПа 2 0-6 0 МПа

1 ПХА 1 51 1 81 0 27 —

2 НМХ 0 98 1 18 0 27 -

3 ПХА/НМХ (1/1) 1 30 1 56 0 27 —

4 ПХА + 2% СиО 2 72 3 80 0 50 -

5 ПХА + 2% РЬ02 128 1 74 0 46 —

6 НМХ + 2% СиО 0 76 1 00 041 -

7 НМХ + 2% РЮ2 1 50 1 97 0 41 -

8 ПХА/НМХ (1/1) + 2% СиО 1 27 1 61 0 35 -

9 ПХА/НМХ (1/1) + 2% РЮ2 1 69 193 0 20 -

10 ПХА + АСД-4 3 68 451 0 30 0 53

11 ПХА + УДП А1 8 45 11 47 0 45 0 52

12 ПХА/НМХ + АСД-4 3 20 4 45 0 49 0 40

13 ПХА/НМХ + УДП А1 13 17 21 68 041 -

14 ПХА + АСД-4 + 2% СиО 321 - - -

15 ПХА + УДП А1+ 2% СиО 8 73 10 03 0 21 0 29

16 ПХА/НМХ + АСД-4 +2% СиО 3 07 4 29 0 50 0 57

17 ПХА/НМХ + УДП А1+2% СиО 5 81 7 89 0 46 0 43

18 ПХА + АСД-4 + 2% РЮ2 4 04 - - -

19 ПХА + УДП А1+ 2% РЮ2 8 74 13 82 0 45 0 42

Для безметальных составов в исследованном диапазоне давлений характерны следующие закономерности

• При разном уровне скоростей, постоянство показателя степени в законе горения дли систем на чистом ПХА, НМХ и смеси ПХА/НМХ

• Введение оксида меди повышает скорость горения систем на основе ПХА и снижает скорость горения композиций на основе НМХ при повышении зависимости скорости горения от давления

• Введение диоксида свинца, напротив, снижает скорость горения перхлоратных систем и повышает скорость горения систем, содержащих октоген, одновременно повышая зависимость и(р)

Следовательно, эффективность добавок в топливе совпадает с эффективностью их действия на исходные ПХА и НМХ

Для систем на смешанном окислителе наиболее эффективно введение диоксида свинца, т е добавки, ускоряющей распад НМХ Получено, что РЬ02, повышая скорость горения, снижает V от 0 27 до 0 20

Введение металлического горючего способствует повышению скорости горения, некоторому повышению зависимости последней от давления (табл 8) Замена АСД-4 на УДП А1 так же повышает уровень скорости горения Полученные данные не противоречат данным других авторов Следует отметить значительное повышение скорости горения систем на смешанном окислителе при замене АСД-4 на УДП А1

Добавка оксида меди и диоксида свинца практически не оказывает влияния на скорость горения металлизированных систем, изменения лежат в интервале 10 % Исключение составляет оксид меди, снижающий скорость горения системы на смешанном окислителе, содержащей УДП А1 Возможно, полученный эффект объясним увеличением содержания нитрида алюминия в продуктах сгорания составов, содержащих УДП А1 в присутствии оксида меди Значение показателя степени в законе скорости горения для изученных систем зависит от природы, как металлического горючего, так и вводимой добавки (табл 8) По-видимому, природа окислителя не играет определяющей роли в формировании закона скорости горения систем, содержащих УДП А1

Снижение скорости горения систем, содержащих УДП АК позволяет говорить о ведущей роли последнего в формировании закона скорости горения Для подтверждения высказанного предположения проведены опыты с хлоридом олова Влияние хлорида олова (2 мае % сверх 100 %) на константы в законе скорости горения систем на смешанном окислителе с а=0 5 в диапазоне давлений (0 03-0 10) МПа показано в табл 9

Введение хлорида олова в ВГС, содержащие УДП А1, повышает скорость горения почти в два раза и снижает показатель степени V на 23 % по сравнению с системами, содержащими микронный алюминий Впервые получено, что в диапазоне субатмосферных давлений

Таблица 9

АСД-4, БпСЬ УДПА1, БпСЬ

"1 V Щ V

1 00 0 57 192 044

добавка БпСЬ значительно снижает показатель степени V независимо от природы алюминия

В разделе 4 3 показано влияние УДП А1 на закономерности горения систем различных классов Общность закономерностей горения топлив различных классов показана на примере систем, на основе инертного горючего-связующего СКДМ-80, содержащих в качестве окислителя механические смеси на основе нитрата аммония (НА) ПХА/НА и НА/НМХ, взятые в соотношении 1/1 В качестве металлического горючего использован микронный и УДП А1 в количестве 15 мае %, добавка - 2 мае % хлорида олова, введенного сверх 100 % Эксперименты показали, что введение хлорида олова повышает скорость горения систем, содержащих УДП А1, практически не влияя на системы, содержащие микронный алюминий В системах НА/НМХ, содержащих в качестве металлического горючего смесь АСД-4 и УДП А1 в соотношении 1/1, в количестве от 10 до 20 мае %, с добавкой хлорида олова отмечен устойчивый рост скорости горения и эффективности вводимой добавки с повышением содержания в смешанном металлическом горючем УДП А1 Установлено, что при горении топливных систем различных классов на инертном I орючем-связующем, содержащих УДП А1, последний играет ведущую роль в формировании закона горения Поэтому подбор добавок, эффективно влияющих на закон горения подобных систем целесообразно проводить по их действию на горение исходного алюминия на воздухе, что существенно упрощает и удешевляет поиск таких соединений

Проведены эксперименты с топливными композициями на активном горючем-связующем НГУ (полиуретановый каучук, пластифицированный нитроглицерином, коэффициент избытка окислителя которого равен 0 64), содержащими 10 и 15 мае % как исходного УДП А1, так и смеси АСД-4/УДП А1 (1/1) Окислитель - нитрат аммония Показано, что повышение содержания УДП А1 в системе на активном горючем-связующем выше 10 0 мае %, по-видимому, нецелесообразно Это -согласуется с данными других авторов Показано, что в составах на активном горючем-связующем целесообразно использовать смешанное металлическое горючее, особенно при введении добавки, влияющей на механизм горения исходного УДП А1 Использование подобных смесей расширяет диапазон содержания алюминия в топливной композиции, позволяет существенно уменьшить их стоимость, и, возможно, облегчит технологию изготовления образцов.

В разделе 4 4 проведена аналитическая оценка влияния дисперсности алюминия на скорость горения ВГС с УДП А1 Рассмотрена гетерогенная система, состоящая из горючего-связующего, смешанного окислителя и порошка алюминия, считается, что ведущая стадия горения происходит в дымогазовой фазе Согласно теории диффузионного горения капли Варшавского-Сполдинга принято, что частицы алюминия горят в диффузионном режиме Для расчета процесса квазистационарного горения частиц алюминия была выбрана парофазная модель Получено аналитическое выражение для коэффициента эффективности алюминия в составе ВГС

к

и

где щ

скорость горения

безметальной системы; и — скорость горения системы, содержащей алюминий, V - показатель степени для безметальной системы, £> — диаметр частицы алюминия, 7"г — температура горения металлизированного состава, С, Сь - константы Полученная зависимость Кц(р) показывает, что если для системы без частиц алюминия показатель у<0 5, то величина Кц должна расти с давлением, а если у>0 5, то величина Ки должна падать с давлением Получен закон скорости горения для металлизированной системы

А я А'а — константы Увеличение дисперсности частицы алюминия приводит к росту скорости горения Полученные зависимости согласуются с экспериментальными результатами (глава 3) данной работы и других авторов

1 Сравнительный анализ горения систем, содержащих микро- и ультрадисперсный алюминий, показал что УДП А1 увеличивает вклад тепловыделения в конденсированной фазе за счет интенсификации экзотермических превращений компонентов в узком реакционном слое тем сильнее, чем выше значение коэффициента избытка окислителя топливных систем и выявил ведущую роль УДП А1 при горении топлив

2 Впервые определены границы эффективного содержания УДП А1 в высокоэнергетических системах на основе перхлората аммония Установлено, что для систем на инертном горючем-связующем содержание УДП А1 не должно превышать 15 мае %, а при переходе на активное горючее содержание металла снижается до 10 мае %

3 Впервые показано в широком диапазоне а существование областей как повышения, так и снижения значений V при введении УДП А1 в состав ВГС Экспериментально установлено, что эффективная замена АСД-4 на УДП А1, приводящая к снижению V в степенном законе скорости горения возможна при а>0 5

4 Экспериментально обоснован метод подбора добавок, влияющих на закон скорости горения систем, содержащих УДП А1 по аналогии с действием веществ на исходный УДП А1 Отмечена общность полученных закономерностей для различных классов ВГС Показана эффективность использования в системах на активных горючих-связующих смешанного металлического горючего

5 Показано, что в системах, содержащих УДП А1, эффективность смешанного окислителя при а>0 4 не зависит от дисперсности октогена, а при а<0 4 растет с уменьшением последней

где

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

6 Получена аналитическая оценка влияния дисперсности алюминия, как на закон скорости горения, так и на эффективность горения систем, содержащих УДП А1 Сравнение теоретических и экспериментальных зависимостей показывает существенное влияние УДП А1 на скорость горения, с учетом того, что УДП А1 принадлежит ведущая роль в процессе горения и его содержание не слишком мало

7 Определяющей характеристикой при анализе закономерностей горения различных ВГС следует считать коэффициент избытка окислителя рассматриваемой системы

8 Разработана программа расчета компонентного состава ВГС по заданному а, позволяющая вести расчет как для систем на инертных, так и активных горючих-связующих с одно и двухкомпонентным окислителем Также разработана программа расчета энергии активации и предэкспонента по результатам экспериментов по зажиганию

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях

1 Горбенко ТИ, Синогина Е С. Влияние дисперсности алюминия на характеристики воспламенения гелеобразных топлив // Физика и химия высокоэнергетических систем- Сборник материалов I Всероссийской конференции молодых ученых -Томск Изд-воТом ун-та, 2005 С 281-282

2 Горбенко Т И, Синогина Е С Термическое разложение твердотопливных композиций на комбинированном окислителе // Физика и химия высокоэнергетических систем Сборник материалов I Всероссийской конференции молодых ученых - Томск Изд-во Том ун-та, 2005 С 282-283

3. Горбенко ТИ, Кученова Е С Влияние двойного окислителя на горение смесевого твердого топлива // Физика и химия наноматериалов Сборник материалов Международной школы-конференции молодых ученых -Томск Изд-воТом ун-та, 2005 С 369-372

4 Архипов В А , Горбенко Т И, Савельева Л А Влияние дисперсности алюминия на характеристики воспламенения и горения смесевых конденсированных материалов на основе перхлората аммония // Материалы XI Всероссийской научно-техн конф Энергетика «Экология, надежность, безопасность» - Томск Изд-во ТПУ, 2005 С 394-397.

5 Горбенко ТИ, Синогина Е С Исследование зажигания и горения твердотопливных систем на основе смешанного окислителя // V Всероссийская конференция молодых ученых «Проблемы механики .теория, эксперимент и новые технологии. Тезисы докладов - Новосибирск ИТПМ СО РАН, 2005. С 14-15.

6 Архипов В А., Горбенко ТИ , Савельева Л А Экспериментальное исследование воспламенения и горения твердого ракетного топлива на основе двухкомпонентного окислителя // Решетневские чтения материалы IX Международной научной конференции, - Красноярск, 2005 С 61

7 Архипов В А , Горбенко Т И, Савельева Л А, Синогина Е С Термическое разложение и горение смесевых композиций, содержащих нитрат аммония//Известия ВУЗов Физика -2005 -Т 48 -№11.-С 11-14

8 Якушева Е С , Горбенко Т И , Савельева Л А Влияние алюминия на горение систем на смешанном окислителе // Физика и химия высокоэнергетических систем Сборник материалов II Всероссийской конференции молодых ученых - Томск Изд-во Том ун-та, 2006 С 497-499

9 Якушева Е С, Горбенко Т И , Горбенко М В Термодинамический анализ рецептур высокоэнергетических и экологических композиций смесевых твердых топлив // Физика и химия высокоэнергетических систем Сб материалов II Всероссийской конфёренции молодых ученых - Томск Изд-во Том ун-та, 2006 С 493-496

10 Будницкая В О , Горбенко Т И , Савельева Л А Экспериментальное исследование топливных композиций с экологически чистыми продуктами сгорания // Физика и химия высокоэнергетических систем Сборник материалов II Всероссийской конференции молодых ученых - Томск Изд-во Том ун-та, 2006 С 388-391

11 Горбенко Т И Термодинамическое моделирование перспективных рецептур высокоэнергетических и экологических топливных композиций // Междунар конф «Проблемы баллистики-2006» Пятая междунар Школа-семинар «Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем» Сб материалов в 2-х томах Т 1 - СПб БГТУ, 2006 С 27-30

12 Горбенко Т И , Горбенко М В , Козлов Е А , Савельева Л А Исследование влияния ультрадисперсного алюминия на характеристики горения октогенсодержащих композиций при низких давлениях // Известия ВУЗов Физика -2006 -Т49 -№6 - С 49-51

13 Архипов В А, Горбенко Т И, Савельева Л А Горение твердотопливных композиций при низких давлениях // Энергетические конденсированные системы Материалы III Всероссийской конференции Черноголовка-М Янус-К, 2006 С 128-129

14 Горбенко Т И Регулирование баллистических характеристик высокоэнергетических материалов при использовании ультрадисперсного алюминия // Решетневские чтения материалы X Международной научной конференции - Красноярск, 2006 С 61-62

15 Архипов В А , Будницкая В О , Горбенко Т И , Савельева Л А Изучение характеристик металлизированных составов на смешанном окислителе // Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики Материалы конференции - Томск Изд-во Том ун-та, 2006 С 49

16 Архипов В А, Горбенко Т И. Савельева Л А Горение высокоэнергетических металлизированных модельных композиций при низких давлениях // Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики Материалы конференции - Томск Изд-во Том ун-та, 2006 С 50-51

17 Горбенко Т И Энергетические характеристики твердых топлив с двойным окислителем // Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики Материалы конференции - Томск Изд-во Том. унта, 2006 С 94

18 Горбенко Т И . Любинский Р Б, Пестерев А В , Попок В H Анализ продуктов сгорания высокоэнергетических материалов, содержащих ультрадисперсный алюминий // Материалы XIY Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» Физика / Новосиб. гос университет - Новосибирск, 2007 С 190-191

19 Любинский Р Б, Архипов В А , Горбенко Т И, Горбенко M В Определение скорости горения перхлоратных систем, содержащих ультрадисперсный алюминий в диапазоне давлений 0 1-6 0 МПа // Физика и химия высокоэнергетических систем Сб материалов III Всероссийской конференции молодых ученых - Томск ТМЛ-Пресс, 2007 С 330-333

20 Пестерев А В , Архипов В А, Горбенко Т И , Савельева Л А Энергетические возможности металлизированных топлив с пониженным содержанием хлора в продуктах сгорания // Физика и химия высокоэнергетических систем Сб материалов III Всероссийской конференции молодых ученых - Томск ТМЛ-Пресс, 2007 С 354-357

21 Липовцев А А, Горбенко Т И, Савельева Л А Влияние ультрадисперсного алюминия на скорость горения перхлоратных систем // Тезисы VIII Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке» - Томск Изд-во ТПУ, 2007 С 52

22. Матвеев Д H , Горбенко Т И , Горбенко M В , Савельева Л А Изучение законов горения высокоэнергетических систем, содержащих ультрадисперсный алюминий // Тезисы VIII Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Химия и химическая технология в XXI веке» - Томск. Изд-во ТПУ, 2007 С 55

23 Горбенко Т И Влияние соотношения компонентов на горение металлизированных топлив при субатмосферных давлениях // Вестник Томского государственного университета-2007 -№298 -С 125-128

24 Arkhipov V, Bondarchuk S, Vorozhtsov A, Kuznetsov V , Gorbenko T. and Korotkich A Thermal Decomposition, Ignition, and Combustion of Ammonium Nitrate-Based Energetic Materials // Nonequilibnum processes Plasma, combustion, and atmospheric phenomena / [Edited by G.D Roy, S M Frolov, and A M Stanc] -Moscow TORUS PRESS, 2007 -P 21

Подписано к печати 03 08 07 Бумага офсетная Печать RISO Формат 60x84/16 Тираж 100 экз Заказ № 81-0807 Центр ризографии и копирования Ч/П Тисленко О В Св-во №14 263 от 21 01 2002 г, пр Ленина, 41, оф № 7а

Основные обозначения и сокращения.

Введение.

1. Основные направления исследования вопросов горения и регулирования скорости горения высокоэнергетических систем, содержащих ультрадисперсный алюминий.

1.1. Физико-химические модели горения топлив на основе перхлората аммония.

1.1.1. Горение смесевого твердого топлива.

1.1.2. Металлизированное смесевое топливо.

1.1.3. Современное представление в моделировании горения твердого топлива.!.

1.2. Регулирование показателя v в степенном законе скорости горения.

1.3. Современное состояние исследования горения перхлоратных топлив на инертном и активном горючем-связующем.

1.3.1. Анализ исследований по горению перхлоратных топлив, содержащих нитрамины.

1.3.2. Горение высокоэнергетических материалов, содержащих ультрадисперсный алюминий.

Выводы по первой главе.

2. Методики теоретического и экспериментального исследования характеристик высокоэнергетических гетерогенных систем.

2.1. Расчет эквивалентных формул и компонентного состава высокоэнергетических гетерогенных систем.

2.2. Термодинамический расчет продуктов сгорания

2.3. Технология изготовления и методика контроля плотности исследуемых образцов.

2.4. Метод дифференциального термического анализа.

2.5. Зажигание топлива на нагретом блоке.

2.6. Измерение скорости горения в приборе постоянного давления.

2.7. Измерение скорости горения при субатмосферных давлениях.

Выводы по второй главе.

3. Исследование процессов горения высокоэнергетических гетерогенных систем в диапазоне давлений 0.03-И>.0 МПа.

3.1. Выбор высокоэнергетической базовой системы.

3.1.1. Требования к высокоэнергетической базовой системе.

3.1.2. Выбор компонентного состава базовой системы.

3.2. Исследование скорости горения высокоэнергетических гетерогенных систем в диапазоне 0.1+6.0 МПа.

3.3. Закономерности горения высокоэнергетических гетерогенных систем при субатмосферных давлениях.

Выводы по третьей главе.

4. Влияние каталитических добавок на горение гетерогенных систем, содержащих ультрадисперсный алюминий.

4.1. Термическое разложение компонентов топливной системы.

4.2. Исследование горения высокоэнергетических гетерогенных систем в присутствии добавок.

4.3. Влияние ультрадисперсного алюминия на закономерности горения топлив различных классов.

4.4. Аналитическая оценка влияния дисперсности алюминия на скорость горения гетерогенных систем.

4.4.1. Модель горения частиц алюминия.

4.4.2. Влияние размера частиц алюминия на скорость горения.

4.4.3. Влияние дисперсности алюминия на закон скорости горения.

Выводы по четвертой главе.

Одной из основных проблем при разработке высокоэнергетических гетерогенных систем (ВГС) для твердотопливных ускорителей и маршевых двигательных установок ракетно-космических комплексов является расширение пределов регулирования их баллистических характеристик. Окислитель и металлическое горючее оказывают существенное влияние на формировании уровня скорости горения. Достаточно подробно изучены закономерности влияния характеристик йерхлората аммония и микродисперсного алюминия на горение смесевых твердых топлив (СТТ). В перспективных топливах используют двойной окислитель: перхлорат аммония (ПХА) - нитрамины (октоген (НМХ) или гексоген) и до 20 % микродисперсного алюминия.

Известно, что применение ультрадисперсного алюминия (УДП А1) в СТТ приводит к существенному росту скорости горения и уменьшению среднемассового размера агломератов и повышению полноты энерговыделения при его окислении, что в свою очередь приводит к снижению двухфазных потерь удельного импульса. Поисковые исследования по использованию УДП А1 в ВГС интенсивно ведутся в России, Италии, США, Франции и других странах. Экспериментальные результаты по влиянию дисперсности добавок металлов на скорость горения смесевых топлив приведены в последние годы в работах А.Б. Ворожцова, В.А. Бабука, В.Н. Симоненко, В.Е. Зарко, JI. Галфетти, А.Г. Коротких, Е.С. Синогиной, Г.Я. Павловца, J1. Де Лука и др. Анализ литературных данных по влиянию УДП А1 на зависимость скорости горения от давления показал неоднозначность этой зависимости. Для объяснения противоречивости этих результатов требуется дальнейшее исследование влияния УДП А1 на режим горения смесевых топлив на основе ПХА.

Выбор смешанного окислителя ПХА/НМХ в настоящем исследовании определяется как потребностью повышения энергетических характеристик, понижения агломерации алюминия, так и потребностью повышения экологической чистоты продуктов сгорания по сравнению с системами на исходном ПХА. В данной работе впервые исследуются системы ПХА/НМХ, содержащие УДП А1, в широком диапазоне изменения коэффициента избытка окислителя (а). В работах О.Г. Глотова, Г.Я. Павловца, Е.М. Попенко и др. исследовались системы на смешанном окислителе ПХА/НМХ, в которых в качестве металлического горючего использовался микронный алюминий. В работах В.Е. Зарко приводятся результаты исследований систем на смешанном окислителе ПХА/НМХ, содержащих УДП А1, но при этом нет обоснования выбора количества вводимого НМХ и количества вводимого УДП А1, и не рассматривается вариация по а.

Изучение закономерностей горения ВГС при субатмосферных давлениях позволяет определить более точно механизм влияния УДП А1, его место действия в процессе горения. Такое исследование возможно за счет того, что химические реакции в условиях низких давлений протекают медленнее, протяженность зоны горения значительно шире, чем при высоких давлениях. Проведенные исследования при давлениях (0.03+6.0 МПа) показывают возможность расширения интервала давлений устойчивого горения ВГС, содержащих УДП А1, что расширяет область применения таких топлив (космическая техника, например). Исследования при субатмосферных давлениях за последнее время отмечены практически в единственной работе (Де Лука: Transient Burning of Nanoaluminized Solid Propellants, 2nd European Conference for Aerospace Sciences (EUCASS)), где рассматриваются перхлоратные топлива, содержащие УДП А1.

Полученная в работе зависимость показателя степени в законе скорости горения от а системы позволяет выделить области, как повышения, так и снижения v при введении УДП А1 в состав ВГС, и объясняет расхождение экспериментальных данных различных авторов. Впервые экспериментально установлено, что эффективная замена АСД-4 на УДП А1, приводящая к снижению v в степенном законе скорости горения возможна при а>0.5.

В связи с этим, изучение механизма горения ВГС, комплексное экспериментальное исследование влияния УДП А1 на процессы термического разложения и воспламенения, рецептурное регулирование скорости горения высокоэнергетических систем на смешенном окислителе является актуальной задачей. Накопление информации по механизму горения сложных многокомпонентных систем, содержащих УДП А1, является основой в уточнении теоретических моделей горения.

Целью диссертационной работы является исследование закономерностей горения высокоэнергетических систем на смешанном окислителе ПХА/НМХ, содержащих ультрадисперсный алюминий марки «А1ех», в широком диапазоне коэффициента избытка окислителя а, в интервале давлений 0.03-6.0 МПа.

Научная новизна работы. Впервые исследованы закономерности горения высокоэнергетических систем на смешанном окислителе, содержащих ультрадисперсный алюминий, в широком диапазоне давлений в зависимости от изменения коэффициента избытка окислителя а. Определены экспериментально и термодинамическими расчетами границы эффективного содержания металлического горючего в высокоэнергетических системах.

Впервые установлено, что как в области субатмосферных давлений, так и в области рабочих давлений в двигателе путем варьирования коэффициента избытка окислителя возможно регулирование зависимости скорости горения от давления в системах на смешанном окислителе, содержащих УДП А1. Показано, что в диапазоне давлений 0.1+6.0 МПа эффективная замена микронного алюминия на ультрадисперсный, приводящая к снижению показателя v, характерна для значений а>0.55.

Экспериментально обоснован метод подбора добавок, влияющих на законы горения систем, содержащих УДП А1. Выявлена общность полученных закономерностей для различных классов ВГС: на инертных и активных горючих-связующих. Показано эффективное использование смешанного металлического горючего в энергетических системах на активных горючих-связующих. Установлено, что определяющей характеристикой при анализе закономерностей горения различных высокоэнергетических систем является коэффициент избытка окислителя последних. Проведена аналитическая оценка влияния УДП А1 на скорость горения.

Практическая значимость работы. На основе проведенных исследований определены параметры регулирования скорости горения высокоэнергетических систем на смешанном окислителе ПХА/НМХ, содержащих УДП А1. Полученные в работе новые экспериментальные результаты, данные термодинамических расчетов и дифференциально-термического анализа создают информационное поле, обеспечивающее возможность уточнения теоретических моделей горения, а также создания рецептуры системы, отвечающей высоким энергетическим, баллистическим и экологическим требованиям.

Результаты исследований по теме диссертации использованы при проведении работ по госбюджетной тематике НИИ ПММ ТГУ.

Исследования диссертационной работы проводились при частичной финансовой поддержке грантов РФФИ (проекты № 05-03-32729 и 05-0818237), а также в рамках государственного контракта № 02.513.11.3009 «Высокоэнергетические нанокомпозиты», выполняемого в соответствии с Федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 годы».

Достоверность научных положений и выводов, полученных в работе, следует из строгого физического обоснования проведенных экспериментов, использования классических апробированных экспериментальных методик, воспроизводимости экспериментальных данных, качественного и количественного соответствия с результатами, полученными другими авторами в пересекающихся областях исследований, а также из проведения статистического анализа экспериментальных данных по стандартным методикам.

Положения, выносимые на защиту:

1. Положение о выборе оптимальной высокоэнергетической системы на смешанном окислителе ПХА/НМХ.

2. Результаты экспериментального исследования скорости горения высокоэнергетических систем на смешанном окислителе в широком диапазоне давлений (0.03+6.0 МПа).

3. Зависимость закона скорости горения высокоэнергетических систем от дисперсности алюминия и коэффициента избытка окислителя.

4. Положение о ведущей роли УДП А1 в процессе горения ВГС и подборе веществ, влияющих на горение систем, содержащих УДП А1.

I.

5. Положение о влиянии УДП А1 ^дд закономерности горения высокоэнергетических систем различных классов.

6. Аналитическая оценка влияния дисперсности алюминия на скорость горения гетерогенных систем.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на Международных и Всероссийских научных конференциях: «Физика и химия высокоэнергетических систем» Всероссийская конференция молодых ученых (Томск: 2005, 2006, 2007); Всероссийская конференция молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» (Новосибирск: 2005); «Решетневские чтения» Международная научная конференция (Красноярск: 2005, 2006); «Физика и химия наноматериалов» Международная школа-конференция молодых ученых (Томск: 2005); Всероссийская научно-техническая конференция «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск: ТПУ, 2005);

Международная конференция «Проблемы баллистики-2006», V Международная школа-семинар «Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем» (С. - Петербург: 2006); «Энергетические конденсированные системы» Всероссийская конференция (Черноголовка: 2006); «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» Всероссийская конференция (Томск: 2006), Международная научная конференция «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск: 2007); Всероссийская научно-практическая конференция «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск: ТПУ, 2007); International Symposium on Nonequilibrium Processes, Combustion, Plasma, and Atmospheric Phenomena (Sochi: 2007).

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 24 печатных работах. Личный вклад.

Вклад автора диссертации, состоит в следующем: проведен расчет эквивалентных формул и компонентного состава топливных систем на смешанном окислителе перхлорат аммония/октоген, содержащих ультрадисперсный алюминий; проведен термодинамический расчет продуктов сгорания; исследовано воспламенение топливных систем на нагретом блоке; проведены эксперименты по изучению горения топлива при субатмосферных давлениях, а также в приборе постоянного давления (ППД) в диапазоне давлений от 0.1 до 6.0 МПа; проведена математическая обработка экспериментальных данных; проведена обработка данных дифференциально-термического анализа; получены зависимости скорости горения от давления топлив в широком диапазоне значений коэффициента избытка окислителя; проведен анализ теоретических и экспериментальных исследований по горению ВГС.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и трех приложений.

Диссертация изложена на 141 странице машинописного текста, содержит 14 рисунков, 25 таблиц, библиография включает 112 наименований.

Первая глава носит обзорный характер. Из анализа литературных данных следует, что результаты многих работ противоречивы в части по влиянию УДП А1 на такую важную характеристику, как показатель степени в законе горения. Многие работы носят констатирующий характер, излагая материал без глубокого анализа сущности протекающих процессов. Это, по-видимому, связано с начальным накопительным этапом информационной базы по влиянию УДП А1 на горение ВГС. Влияние микронного алюминия на процессы горения ВГС исследовано достаточно полно. Практически отсутствуют данные по горению ВГС, содержащих УДП А1, при субатмосферных давлениях. Отсутствуют необходимые данные по управлению процессом горения перхлоратных топливных систем, содержащих циклические нитрамины и УДП А1. Исходя из анализа научных публикаций, в первой главе формулируются цели и направления настоящего исследования на дальнейшее развитие и понимание физики горения ВГС, содержащих ультрадисперсный алюминий.

• Выбор рецептуры топлива с высокими энергетическими характеристиками на основе ПХА, содержащего ультрадисперсный алюминий, октоген, инертное горючее-связующее.

• Исследование влияния УДП А1 на закономерности горения систем на смешанном окислителе.

• Регулирование скорости горения и ее зависимости от давления в высокоэнергетических системах на смешанном окислителе ПХА/НМХ за счет варьирования коэффициента избытка окислителя и дисперсности металлического горючего.

• Подбор добавок, влияющих на законы горения композиций на смешанном окислителе, содержащих УДП А1.

• Выявление общности влияния УДП А1 на закономерности горения топлив различных классов: на инертных и активных горючих-связующих.

Во второй главе рассмотрены используемые в работе методы расчета и экспериментального исследования процессов и механизмов горения высокоэнергетических гетерогенных систем в диапазоне давлений 0.03+0.6 МПа.

Расчет эквивалентных формул и компонентного состава ВГС по заданному коэффициенту избытка окислителя проведен по стандартной методике с использованием разработанного автором программного обеспечения.

Термодинамические расчеты удельного импульса, адиабатической температуры горения, молярной массы газовой фазы, содержания хлорида водорода, конденсированной двуокиси алюминия, нитрида алюминия в продуктах сгорания проведены по программе «Астра-4», разработанной МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Рассмотрены технология изготовления и методика контроля плотности исследуемых образцов.

Процессы термического разложения исследованы с использованием методов дифференциального термического анализа (ДТА) и дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) системы METTLER TOLEDO, при темпе нагрева 10 К/мин, в диапазоне температур (323 - 823) К, навеска вещества составляла от 1.16 до 4.63 мг.

Для изучения характеристик кондуктивного зажигания использована методика зажигания гетерогенных систем на нагретом металлическом блоке в среде воздуха при атмосферном давлении. Эксперименты проведены в диапазоне температур нагрева металлического блока 643-702 К. Диаметр образцов - 10 мм, высота - 5 мм.

Измерение скорости горения при атмосферном давлении проводилось на открытом воздухе. Сжигали образцы диаметром 10 мм, высотой 30+35 мм, бронированные по боковой поверхности двумя слоями клея БФ-2. Поджиг осуществляли нихромовой спиралью, время сгорания образцов измеряли секундомером.

Измерение скорости горения в диапазоне давлений /7=0.1+6.0 МПа проводилось в приборе постоянного давления (ППД) в атмосфере азота. Использовались образцы диаметром 10 мм и высотой 30 мм, которые изготавливались методом проходного прессования. Образцы запрессовывались в эбонитовые цилиндрические втулки. Использовались образцы с пористостью не выше 5 %.

Изучение горения в диапазоне субатмосферных давлений (0.03+0.10 МПа) проводилось с использованием вакуумной установки.

Проведены оценки погрешностей экспериментальных данных по стандартным зависимостям с использованием программы MathCAD Professional (Statistics).

Третья глава посвящена исследованию процессов горения высокоэнергетических систем, содержащих ультрадисперсный алюминий в широком диапазоне давлений на основе выбранной эффективной высокоэнергетической гетерогенной системы на смешанном окислителе ПХА/НМХ взятом в соотношении 1/1.

Выбор базовой системы проведен с учетом требований, предъявляемых к высокоэнергетическим гетерогенным системам, с учетом влияния дисперсности октогена на характеристики горения систем, а также определения эффективного содержания алюминия в системах на основе перхлората аммония.

В четвертой главе рассмотрено влияние добавок на горение гетерогенных систем, содержащих УДП А1. Определен подход к выбору эффективных веществ, влияющих на закон скорости горения систем с УДПА1, показано влияние УДП А1 на закономерности горения топлив различных классов. Рассмотрено термическое разложение механических смесей окислителя ПХА/НМХ и металлического горючего в присутствии оксида меди, диоксида свинца и хлорида олова. Проведена аналитическая оценка влияния дисперсности алюминия на скорость горения ВГС с УДП А1. Рассмотрена гетерогенная' система, состоящая из горючего-связующего, смешанного окислителя и порошка алюминия, считается, что ведущая стадия горения происходит в дымогазовой фазе. Согласно теории диффузионного горения капли Варшавского-Сполдинга принято, что частицы алюминия горят в диффузионном режиме. Для расчета процесса квазистационарного горения частиц алюминия была выбрана парофазная модель. Получено аналитическое выражение для коэффициента эффективности алюминия в составе ВГС, а также закон скорости горения для металлизированной системы. Сравнение теоретических и экспериментальных зависимостей показывает существенное влияние УДП А1 на скорость горения, с учетом того, что УДП А1 принадлежит ведущая роль в процессе горения и его содержание не слишком мало.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Сравнительный анализ горения систем, содержащих микро- и ультрадисперсный алюминий, показал что УДП А1 увеличивает вклад тепловыделения в конденсированной фазе за счет интенсификации экзотермических превращений компонентов в узком реакционном слое тем сильнее, чем выше значение коэффициента избытка окислителя топливных систем и выявил ведущую роль УДП А1 при горении топлив.

2. Впервые определены границы эффективного содержания УДП А1 в высокоэнергетических системах на основе перхлората аммония. Установлено, что для систем на инертном горючем-связующем содержание УДПА1 не должно превышать 15 мае. %, а при переходе на активное горючее содержание металла снижается до 10 мае. %.

3. Впервые показано в широком диапазоне а существование областей как повышения, так и снижения значений v при введении УДП А1 в состав ВГС. Экспериментально установлено, что эффективная замена АСД-4 на УДП А1, приводящая к снижению v в степенном законе скорости горения возможна при а>0.5.

4. Экспериментально обоснован метод подбора добавок, влияющих на закон скорости горения систем, содержащих УДП А1 по аналогии с действием веществ на исходный УДП А1. Отмечена общность полученных закономерностей для различных классов ВГС. Показана эффективность использования в системах на активных горючих-связующих смешанного металлического горючего.

5. Показано, что в системах, содержащих УДП А1, эффективность смешанного окислителя при а>0.4 не зависит от дисперсности октогена, а при а<0.4 растет с уменьшением последней.

6. Получена аналитическая оценка влияния дисперсности алюминия, как на закон скорости горения, так и на эффективность горения систем, содержащих УДП А1. Сравнение теоретических и экспериментальных зависимостей показывает существенное влияние УДП AI на скорость горения, с учетом того, что УДП А1 принадлежит ведущая роль в процессе горения и его содержание не слишком мало.

7. Определяющей характеристикой при анализе закономерностей горения различных ВГС следует считать коэффициент избытка окислителя рассматриваемой системы.

8. Разработана программа расчета компонентного состава ВГС по заданному а, позволяющая вести расчет как для систем на инертных, так и активных горючих-связующих с одно и двухкомпонентным окислителем (Приложение Б). Также разработана программа расчета энергии активации и предэкспонента по результатам экспериментов по зажиганию (Приложение В).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Абугов Д.И., Бобылев В.М. Теория и расчет ракетных двигателей твердого топлива. М.: Машиностроение, 1987. - 272 с.

2. Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. Основные характеристики горения. М.: Химия, 1977. - 320 с.

3. Hermance С.Е. AJAA, v. 4, Р. 1629.

4. Саммерфильд М., Сатерленд Г. Исследование ракетных двигателей на твердом топливе: Пер. с англ. М.: Издатинлит, 1963. - 185 с.

5. Arden Е.А., Powling G. Combust and Flame, 1962, v. 6, N 1, P. 38.

6. Firedman R. Appl. Mech. Rev., 1962, v. 15, N 12, P. 45.

7. Бахман H.H. Горение слоевых систем на основе перхлората аммония // Ракетные топлива. М.: Мир, 1975. С. 55-73.

8. Бахман Н.Н, 9. Ромоданова Л.Д., Пепекин В.И., Апин А.Я. // Физика горения и взрыва. 1970. - № 4. - С. 419.

9. Хайкин Б.И., Мержанов А.Г. // ДАН СССР. 1967. - Т. 173, - № 6, -С. 1382.

10. Похил П.Ф., Ромоданова Л.Д. // Журнал физической химии. -1965. Т. 39, -№ 2 - С. 294.

11. Ромоданова Л.Д., Мальцев В.М., Похил П.Ф. // Физика горения и взрыва.- 1972.-№ 1-С. 8.

12. Глазкова А.П. Дис. . докт. наук. -М.: ИХФ АН СССР, 1974.

13. Inami S.H., Rajapakse Y., Shaw R. Combust and Flame. 1971, N 2. P. 189-196.

14. Боболев B.K. и лр. // Физика горения и взрыва. 1971. - Т. 3. - С. 336.

15. Похил П.Ф., Мальцев В.М., Логачев B.C. // Физика горения и взрыва. -1970. .-Т. 6, № 3 - С. 407.

16. Бекстед М.В. Современный прогресс в моделировании горения6твердого топлива // Физика горения и взрыва. 2006. - Т.^о. - - С. 4-22.

17. Бекстед, Дерр, Прайс. Модель горения смесевого ТРТ, базирующаяся на нескольких типах пламени // Ракетная техника и космонавтика. -1970. -Т. 8,-№ 12.-С. 107-117.

18. Zenin А. НМХ and RDX. Combustion mechanism and influence on modern double-base propellant combustion // Ibid. P. 752-75./

19. Davidson J.E., Beckstead M.W. Improvements to steady state combustion modeling of cyclotrimethylenetrinitramine // J/ Propulsion and Power. 1997. V. 13, N 3. Р.375-383/

20. Талавар М.Б., Сивабалан Р., Аннияпан М. и др. Новые тенденции в области создания перспективных высокоэнергетических материалов // Физика горения и взрыва. 2007. - Т. 43, - № 1. - С. 72-85.

21. Октоген термостойкое взрывчатое вещество. - М.: Недра, 1975.

22. Ермолин H.E., Зарко B.E. Механизм и кинетика термического разложения циклических нитраминов (обзор) // Физика горения и взрыва. 1997.-Т. 33.-№3.-С. 10-31.

23. Глотов О.Г. Конденсированные продукты горения алюминизированных топлив. IV. Влияние природы нитраминов на агломерацию и эффективность горения алюминия // Физика горения и взрыва. -2006. Т. 42. - №4. - С. 78-92.

24. Денисюк А.П., Шабалин B.C., Шепелев Ю.Г. Закономерности горения конденсированных систем, состоящих из октогена и связующего, способного к самостоятельному горению // Физика горения и взрыва. 1998. -Т. 34.-№5.-С. 59-69.

25. 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.

26. Бабук В.А., Гамзов А.В., Глебов А.А., Долотказин И.Н. Структура металлизированных смесевых ТРТ и ее роль в процессе горения. // Химическая физика и мезоскопия. 2006. - Т.8. - №1. - С. 33-43.

27. Коротких А.Г. Исследование процесса воспламенения и горения высокоэнергетических материалов, содержащих ультрадисперсный порошок алюминия : Дис. .к-та физ.-мат. наук. Томск: ТГУ, 2004. - 134 с.

28. Munch М.М., Yen C.L., Kuo К.К. //"Energetic Materials: Production, Processing and Characterization". Proc. 29th Intern. Annual Conf of ICT. Karlsruhe, Germany, 1998. P. 30.

29. Simonenko V.N., Zarko V.E., //"Energetic Materials: Production, Processing and Characterization". Proc. 30th Intern. Annual Conf of ICT. Karlsruhe, Germany, 1999. P. 21-1.

30. Seitzman J.M., Dokhan A., Price E.W., Sigman R.K. //Rocket Propulsion: Present and Future: Books of Abstracts the 8th Intern. Workshop on Combust. And Propulsion. Pozzuoli, Naples, Italy, 2002. P.4.

31. Olivani A., Galfetti L., Severini F. et all //Advances in Rocket Propellant Performance, Life and Disposal for Improved System Performance and Reduced Cost: Paper of AVT meeting. Aalborg, Denmark, 2002. P.l5.

32. Baudin G., Lefrancois A., Bergues D., Champion Y. Combustion onthnanophase aluminum in the detonation products of nitro methane // 11 Symp. (Intern) on Detonation, Snowmass Village, Colorado, Augest 31 September 4,1998.

33. Simonenko V.N., Zarko V.E., Kiskin A.V., et al. Effect of ALEX and boron additives on ignition and combustion of AI-KNO3 mixture // 32nd Intern. Annu. Conf. of ICT, Karlsruhe, Germany, July 3-6, 2001. P. 122/1.

34. Meda L., Marra G., Galfetti L., et al. Nanocomposites for rocket solid propellants // Composites Sci. Technol. 2005. V. 65, N 5. P. 769-773.

35. Пивкина A.H., Фролов Ю.В., Иванов Д.А. Наноразмерные компоненты высокоэнергетических систем: структура, термическое поведение и горение // Физика горения и взрыва. -2007. Т. 43. -№ 1. -С. 60-65.

36. Mench М.М., Yen C.L., and Kuo K.K. Propellant Burning Rate Enhancement and Thermal Behavior of Ultra-Fine Aluminum Powders (Alex) //

37. Energetic Materials: Production, Processing and Characterization" of the 29th International Annual Conference of ICT, Karlsruhe, Germany, 1998. P. 30-1-30-15.

38. DeLuca L.T., Cozzi F., Manenti S. et al. Ballistic Testing of Clean Solid Rocket Propellants // "Energetic Materials: Production, Processing and• nd

39. Characterization" of the 32 International Annual Conference of ICT, Karlsruhe, Germany, 2001. P. 10-1-10-14.

40. Seitzman J.M., Dokhan A., Price E.W., and Sigman R.K. The Combustion

41. Behavior of Ultrafine Aluminum and Application in Bimodal Aluminized

42. Propellants // Rocket Propulsion: Present and Future: Edited Book of Proceedings ththe 8 International Workshop on Combustion and Propulsion. Pozzuoli, Naples, Italy, 2002. P. 16-1-16-13.

43. Olivani A., Galfetti L., Severini F. et al. Aluminum Particle Size Influence on Ignition and Combustion of AP/HTPB/A1 Solid Rocket Propellants // Advances in Rocket Propellant Performance, Life and Disposal for Improved System

44. Performance and Reduced Cost: Paper of AVT Meeting. Aalborg, Denmark, 2002. P. 1-9.

45. Баррер M., Жомотт А., Вебек Б.Ф. и др. Ракетные двигатели. М.: Оборонгиз. 1962.-784 с.

46. Мелешко Т.И. (Горбенко Т.И.) Инженерная методика термодинамического расчета параметров продуктов сгорания химического ракетного двигателя: Методические указания. Томск. ТГУ. 1988. - 21 с.

47. Комаров В.Ф., Шандаков В.А. Твердые топлива, их особенности и области применения // Физика горения и взрыва. 1999. - Т. 35. - № 2.- С 30-34.

48. Громов А.А. Закономерности нитридообразования при горении нанопорошков алюминия в воздухе и азот-кислородных газовых смесях // Изв. вузов. Физика. -2006. № 6. Приложение. - С. 52-56.

49. Вилюнов В.Н. Теория зажигания конденсированных веществ.- Новосибирск: Наука, 1984. 187с.

50. Щиголев Б.М. Математическая обработка наблюдений. М.: Физ.-мат. лит. 1962. - 344 с.

51. Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. Л.: Энергоатомиздат. 1990. - 288 с.

52. Горбенко Т.И. // Пятая Международная школа-семинар «Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем». Сборник материалов. В 2 томах. Т. 1. СПб.: БГТУ. 2006. С. 27-30.

53. Архипов В.А., Коротких А.Г., Кузнецов В.Т. Исследования процессов воспламенения и горения смесевых твердых топлив, содержащих ультрадисперсные порошки металлов // Известия РАРАН. Издание РАРАН. М. -2005. Вып. 1(42). - С. 18-25.

54. Попенко Е.М., Громов А.А., Шамина Ю.Ю., Ильин А.П. и др. Влияние добавок сверхтонких порошков алюминия на реологические свойства и скорость горения энергетических конденсированных систем // Физика горения и взрыва. 2007. - Т. 43, - № 1. - С.

55. Кузнецов В.Т. Зажигание гетерогенных систем, содержащих перхлорат аммония и нитрамин // Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики. Доклады конференции. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2002, С. 82-83.

56. Алешин В.Д., Светлов Б.С., ФогельзангА.Е. Об особенности горения смесей, содержащих быстрогорящее взрывчатое вещество // Физика горения и взрыва. 1970. -Т.6, - № 4. - С. 432-438.

57. Громов А.А. и др. Влияние добавок нанопорошков алюминия на реологические характеристики энергетических систем //

58. Высокоэнергетические материалы: демилитаризация, антитерроризм и гражданское применение: Тезисы II Международной конференции «HEMs -2006» (г. Белокуриха). М.: ЦНИИХМ. - 152 с.

59. Кнорре Д.Г., Крылова Л.Ф., Музыкантов B.C. Физическая химия. -М.: Высшая школа, 1981. 328с.

60. Ильин А.П., Громов А.А. Горение алюминия и бора в сверхтонком состоянии. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2002. - 154 с.

61. Латимер В. Окислительные состояния элементов и их потенциалы в водных растворах. -М.: ИЛ. 1954. 400 с.

62. Синогина Е.С. Изучение воспламенения горения высокоэнергетических материалов на основе бесхлорных окислителей: Дис. .к-та физ.-мат. наук. Томск. ТГУ. 2006. - 130 с.

63. Громов А.А. Получение нитридсодержащих материалов при горении сверхтонких порошков алюминия и бора. Автореферат. к-та техн. наук. Томск. ТПУ. 2000. - 20 с.

64. Архипов В.А., Савельева Л.А., Синогина Е.С. Характеристики воспламенения гелеобразных композиций // Изв. вузов. Физика. -2006. № 6. Приложение. - С. 11-15.

65. Архипов В.А., Бондарчук С.С., Коротких А.Г., Лернер М.И. Технология получения и дисперсные характеристики нанопорошков алюминия //Горный журнал. Спец. Выпуск. «Цветные металлы». -2006. -№ 4. С. 58-64.

66. Горбенко Т.И. Энергетические характеристики твердых топлив с двойным окислителем // Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики: Материалы конференции. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2006. С. 94.

67. Горбенко Т.И. Влияние соотношения компонентов на горение металлизированных топлив при субатмосферных давлениях. // Вестник Томского государственного университета 2007. - № 298. - С. 125-128.

68. Архипов В.А., Горбенко Т.И., Савельева Л.А. Горение твердотопливных композиций при низких давлениях // Энергетические конденсированные системы. Материалы III Всероссийской конференции. -Черноголовка, М.: Янус-К, 2006. С. 128-129.

69. Горбенко Т.И. Регулирование баллистических характеристик высокоэнергетических материалов при использовании ультрадисперсного алюминия // Решетневские чтения: материалы X Международной научной конференции. Красноярск, 2006. С. 61-62.

70. Бахман Н.Н., Беляев А.Ф. Горение гетерогенных конденсированных систем. М.: Наука, 1967. -222с.

71. Ягодников Д.А., Воронецкий А.В., Мальцев В.М., Селезнев В.А. О возможности увеличения скорости распространения фронта пламени в аэровзвеси алюминия // Физика горения и взрыва. 1992. - Т. 28, - № 2. -С. 51-54.

72. Ильин А.П., Громов А.А., Верещагин В.И., Попенко Е.М. и др. О горении сверхтонкого алюминия в воздухе // Физика горения и взрыва. -2001. Т. 37, - № 6. - С. 56-60.

73. Ильин А.П., Яблуновский Г.В., Громов А.А. Горение аэрогелей смесей сверхтонких порошков алюминия и бора // Физика горения и взрыва. 1999. - Т. 35, - № 6. - С. 61-64.

74. Глазкова А.П. Катализ горения взрывчатых веществ. М.: Наука, 1976.-253 с.

75. Манелис Г.Б., Назин Г.М., Рубцов Ю.И., Струнин В.А. Термическое разложение и горение взрывчатых веществ и порохов. М.: Наука, 1996.-223с.

76. Громов А.А., Попенко Е.М., Сергиенко А.В. и др. Закономерности нитридообразования при горении сверхтонких порошков алюминия в воздухе. 1. Влияние добавок // Физика горения и взрыва. 2005. - Т. - 41, -№ 3. - С. 74-85.

77. Синогина Е.С. О взаимодействии нитросоединений с перхлоратом аммония // Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики: Доклады конференции. Томск: Изд-во Том. ун-та. 2004. С. 142-143.

78. Ivanov G.V. and Tapper F. Activated Aluminum as a Stored Energy Source for Propellants // Challenges in Propellants and Combustion 100 Years after Nobel / Edited by K.K. Kuo et al. Begell house, 1997. P. 636-645.

79. Де Лука Л.Т., Галфетти Л., Северный Ф., Меда Л., Марра Ж., Ворожцов А.Б., Седой B.C., Бабук В.А. Горение смесевых твердых топлив с наноразмерным алюминием // Физика горения и взрыва. 2005. — Т. 41, — №6.-С. 80-94.

80. Лейпунский О.И. О зависимости от давления скорости горения черного пороха. // ЖФХ. 1960. - Т. 34. - С. 177-181.

81. Новожилов Б.В. Скорость горения модельного двухкомпонентного смесевого пороха// Докл. АН СССР. 1970. -Т.191. -С. 1400-1403.

82. Бахман Н.Н., Кондрашков Ю.А. Выражения для скорости горения при одновременном протекании гомогенной и гетерогенной реакций // Доклады АН СССР. 1966. - Т. 168, - № 4. - С. 844-845.

83. Бахман Н.Н., Кондрашков Ю.А. Горение трехкомпонентных конденсированных смесей // Журнал физической химии. 1963. - Т. 37, -№ 1.-С. 216-219.

84. Renie J.P., Osborn J.P. Combustion Modeling of Aluminized Propellants. AIAA. Paper. 79-1131.

85. Becktead M.W. A Model for Solid Propellant Combustion. -Proceedings of 14th JANNAF Combustion Meeting.CPIA 292. v.l, Dec. 1977. P. 281-306.

86. Гусаченко Л.К., Зарко B.E., Зырянов В .Я., Бобрышев В.П. Моделирование процессов горения твердых топлив. Новосибирск: Наука, 1985,- 179 с.

87. Зельдович Я.Б. К теории горения порохов и взрывчатых веществ // ЖЭТФ. 1942. - Т. 12. - Вып. 11/12. - С. 498-524.

88. Горение порошкообразных металлов в активных средах / Похил П.Ф., Беляев А.Ф., Фролов Ю.В. и др. М.: Наука, 1972. - 294 с.

89. Вилюнов В.Н., Ворожцов А.Б., Фещенко Ю.В. Моделирование двухфазного течения смеси газа с горящими частицами металла в полузамкнутом канале // Физика горения и взрыва. 1989. - Т. 25, - № 3. -С. 39-43.

90. Федоров А.В., Хмель Т. А. Численное моделирование инициирования детонации при вхождении ударной волны в облако частиц алюминия // Физика горения и взрыва. 2002. - Т. 38, - № 1. -С. 114-122.

91. Федоров А.В., Харламова Ю.В. Воспламенение частицы алюминия // Физика горения и взрыва. 2003. - Т. 39, - № 5. -С. 65-68.

92. Основы практической теории горения / Под ред. В.В.Померанцева. -JL: Энергоатомиздат, 1986. -312 с.

93. Ш.Архипов В.А., Матвиенко О.В., Трофимов В.Ф. Горение распыленного жидкого топлива в закрученном потоке // Физика горения и взрыва. 2005. - Т. 41, - № 2. -С. 26-37.

94. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1987. - 502 с.1. Утверждаю» Приложение А

95. Зав. кафедрой прикладной газовойдинамики и горения, д.т.н., профессор Г.Р. Шрагер