Исследование воспламенения заряда ТРТ через капсулирующую преграду

УДК 621.455:536.46

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ЗАРЯДА ТРТ ЧЕРЕЗ КАПСУЛИРУЮЩУЮ ПРЕГРАДУ

БАБИН В.И., САРАБЬЕВ В.И., ШАБУНИН А.И.

Федеральный научно-производственный центр «НИИ прикладной химии», 141300, г. Сергиев Посад Московской области, ул. Академика Силина, 3

АННОТАЦИЯ. Рассмотрены вопросы воспламенения низкомодульных твёрдых ракетных топлив (ТРТ) через капсулирующую преграду. Исследованы два воспламенительных состава (ВС): термохимического и термического действия. В качестве материала капсулятора предложено применять полимеры, наиболее эффективным из которых является фторопласт 42. Проведены огневые испытания ВС в условиях модельной камеры. Установлено, что у ВС термохимического действия воспламеняющая способность зажигания капсулированных фторопластом 42 зарядов ТРТ значительно выше, чем у ВС термического действия. Результат является следствием высокой химической активности продуктов сгорания термохимического ВС, что способствует их интенсивному взаимодействию с материалом капсулятора и зарядом ТРТ.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: воспламенение, преграда, состав, фторопласт, топливо, поток, заряд.

Для обеспечения устойчивого надежного воспламенения зарядов из низкомодульных высокоэнергетических ТРТ со сложными баллистическими свойствами через капсулирующую преграду требуется разработка принципиально новых подходов в создании систем воспламенения.

Особенность воспламенения таких зарядов заключается в необходимости прогрева или разрушения капсулирующей пленки и создания на поверхности топлива необходимых условий зажигания. Наличие преграды может существенным образом изменить картину взаимодействия продуктов сгорания воспламенительного устройства с топливом, а также распространения пламени по поверхности заряда. Некоторые результаты решения данной проблемы представлены в [1 - 3].

В качестве воспламенительных составов (ВС) были рассмотрены два пиротехнических состава:

1. термохимического действия на основе алюминиево-магниевого сплава и фторорга-нических соединений, обеспечивающий подачу к поверхности топлива высокотемпературного потока продуктов сгорания, обогащенных горючим, способным реагировать с продуктами разложения или сгорания топлива и капсулирующей пленки (состав №1);

2. термического действия на основе титана и нитрата бария, обладающий повышенными энергобаллистическими характеристиками: плотностью, скоростью горения и температурой продуктов сгорания (состав №2).

В качестве возможных материалов капсулятора рассматривались следующие полимеры: фторопласты, полихлорвинил, полиэтилен, поливинилацетат. Термодинамические расчеты конденсированных систем «ВС + полимер», проведённые с помощью многоцелевого программного комплекса «Астра 4» [4] показали возможность получения дополнительного экзотермического эффекта в результате взаимодействия продуктов сгорания ВС с капсулятором. Эффективность использования полимеров оценивалась по величине теплосодержания системы. Наибольший экзотермический эффект получен при взаимодействии продуктов сгорания воспламенительного состава термохимического действия и фторопласта 42 в качестве материала капсулятора. Необходимо отметить, что полученные данные согласуются с результатами исследований по зажиганию ТРТ воспламенителями различного типа при отсутствии преграды [5, 6].

На рис. 1 представлена зависимость температуры горения смеси от содержания дополнительного фторопласта 42 (за счет материала капсулятора) при различных значениях давления продуктов сгорания ВС №1. Экзотермический эффект наблюдается уже при незначительном содержании полимера, а при количестве п > 0,08 он существенно возрастает.

0.08 0.12 0.16 1 - 0,5 МПа; 2 - 0,6 МПа; 3 - 0,7 МПа; 4 - 0,8 МПа; 5 - 0,9 МПа; 6 - 1,0 МПа; 7 - 1,1 МПа; 8 - 1,2 МПа Рис. 1. Зависимость температуры горения смеси от содержания дополнительного фторопласта 42 при различных значениях давления продуктов сгорания воспламенительного состава №1

Пиротехническое воспламенительное устройство (ПВУ), представленное на рис. 2, состоит из таблеток воспламенительного состава 2 и электровоспламенителя ЭВФ-1 3, который помещен в мешочек с порошкообразным ВС 1.

Экспериментальные исследования проводились в модельной камере воспламенения, предназначенной для исследования процессов воспламенения перспективных ТРТ при торцевом зажигании капсулиро-ванного образца топлива (й = 40 мм, h = 5 мм) продуктами сгорания воспламенительного состава с интенсивными тепловыми потоками (д > 10 кВт/см2). В качестве капсулятора использовалась пленка фторопласта 42 со средней толщиной h = 0,25 мм.

Схема модельной камеры воспламенения изображена на рис. 3. Регистрация давления производилась с помощью датчика, установленного в стакане ПВУ. Запись результатов на компьютер осуществлялась с интервалом времени т = 0,001 с.

1 - порошкообразный воспламенительный состав; 2 - таблетки из воспламенительного состава; 3 - электровоспламенитель ЭВФ-1

Рис. 2. Схема ПВУ

1 - проводники электровоспламенителя; 2 - крышка с газоводной трубкой; 3 - сопло; 4 - корпус; 5 - накидная гайка; 6 - закладная деталь; 7 - датчик давления; 8 - образец топлива; 9 - стакан ПВУ; 10 - втулка

Рис. 3. Модельная камера воспламенения

На начальном этапе были проведены автономные испытания ПВУ в условиях модельной камеры. Анализ полученных данных показал, что тепловой поток в большей степени зависит от химической активности ВС термохимического действия и взаимодействия его продуктов сгорания с материалом капсулятора, чем от теплосодержания потока продуктов сгорания ВС термического действия. Величина теплового воздействия определялась по эрозионному эффекту, произведенному продуктами сгорания ПВУ на инертный материал. Установлено, что тепловые потоки от ВС термохимического действия превышают потоки от ВС термического действия на исследуемой поверхности в 2... 3 раза, хотя в экспериментах без капсулятора они приблизительно равны.

Результаты экспериментальных исследований по воспламенению модельных топливных зарядов продуктами сгорания ВС представлены в таблице. На рис. 4 показана типовая осциллограмма зависимости давления от времени, где тПВУ - время задержки срабатывания ПВУ, тзв - время задержки воспламенения топливного заряда, ртах - максимальное давление, тРтах - время достижения максимального давления в модельной камере.

Таблица

Параметры воспламенения топливных образцов при воздействии продуктов сгорания модельных ПВУ

Воспламени-тельный состав Капсулятор Масса ВС твс, г ТПВУ, с тзв, с .Ртах, МПа TPmax, с

средние значения

Состав №1 - 1,0 0,0637 0,0957 7,9533 0,1149

- 0,5 0,0821 0,1291 9,3012 0,1305

Ф-42 1,5 0,0058 0,0644 6,5405 0,1271

Состав №2 - 1,0 0,0603 0,1383 6,1067 0,1529

- 0,5 0,0830 0,1354 8,2404 0,1307

Ф-42 2,5 0,0101 0,0649 7,2367 0,1431

^_ХЛпах_^

Рис. 4. Типовая осциллограмма зависимости давления от времени

В результате экспериментальных исследований показано, что оба воспламенительных состава обеспечивают зажигание топливных образцов через капсулирующую преграду. Параметры воспламенения топлива без капсулятора для ВС термохимического и термического действия отличаются незначительно - для ВС термохимического действия время задержки воспламенения несколько ниже. Анализ результатов экспериментов по зажиганию торцевых зарядов ТРТ через преграду в модельных условиях показывает, что для ПВУ на основе ВС №1 и №2 приблизительно равные времена задержки воспламенения топливного заряда тзв достигаются при существенно разной массе воспламенительного

состава: масса ВС термического типа более чем в 1,5 раза превышает массу ВС термохимического типа. При этом, времена достижения максимального давления тРтах и задержки срабатывания ПВУ тПВУ при использовании ВС термохимического действия имеют меньшие значения, чем в случае применения ВС термического действия.

Таким образом, воспламеняющая способность зажигания капсулированных фторопластом зарядов ТРТ модельными ПВУ на основе ВС термохимического действия значительно выше, чем при использовании ВС термического действия.

Материалы статьи обсуждались на Седьмой Всероссийской конференции «По внутрикамерным процессам и горению в установках на твердом топливе и ствольных системах (1С0С'2011)» (г. Ижевск, 29-31 марта 2011 г.) и рекомендованы к публикации в журнале «Химическая физика и мезоскопия».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дик И.Г., Князева А.Г. Зажигание конденсированного вещества, экранированного полупрозрачной теплопроводящей пластиной // Физика горения и взрыва. 1989. № 3. С.9-16.

2. Дик И.Г., Князева А.Г., Кузнецов В.Т. Зажигание конденсированных веществ через экран // Материалы IX Всесоюз. симп. по горению и взрыву «Химическая физика процессов горения и взрыва. Горение конденсированных систем». Черноголовка : ИХФЧ, 1989. С.74-77.

3. Князева А.Г. Приближенные оценки характеристик зажигания топлива лучистым потоком через преграду с различными свойствами // Физика горения и взрыва. 1996. №1. С.26-41.

4. Трусов Б.Г. Моделирование химических и фазовых равновесий при высоких температурах «Астра 4». М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1991. 40 с.

5. Киневский П.Б., Сарабьев В.И., Бабин В.И. и др. Исследование особенностей воспламенения перспективного СРТТ пиротехническими воспламенителями // Материалы I Всерос. НТК «Современные проблемы пиротехники». М., 2001. С.91-92.

6. Гопка В.П., Киневский П.Б., Сарабьев В.И. и др. Исследование критических условий зажигания СТРТ потоком продуктов горения воспламенителя // Материалы II Всерос. НТК «Современные проблемы пиротехники». Сергиев Посад, 2003. С.180.

INVESTIGATION OF SOLID PROPELLANT CHARGE IGNITION THROUGH ENCAPSULATING BARRIER

Babin V.I., Sarabjev V.I., Shabunin A.I.

Federal Scientific and Production Center «Scientific Research Institute of Applied Chemistry», Sergiev Posad, Moscow Region, Russia

SUMMARY. The problem of ignition of low-module solid propellants through encapsulating barrier is discussed. Two ignition compositions of thermochemical and thermal actions correspondingly are studied. To enhance the exothermic effect it is suggested to use polymers (the most effective is fluoroplast 42) as an encapsulating material. Firing tests of ignition compositions have been carried out in a model camera. It was found that the igniting ability of the ignition composition of thermochemical action to ignite the solid propellant charge, encapsulated by fluoroplast 42, is much higher than that of the ignition composition of thermal action. This result is caused by rather high reactivity of the combustion products of the thermochemical ignition composition. This reactivity contributes to their intensive interaction with the encapsulating material as well as the solid propellant charge.

KEYWORDS: ignition, barrier, composition, fluoroplast, propellant, flow, charge.

Бабин Владимир Иванович, ведущий инженер-конструктор ФНПЦ НИИПХ, e-mail: niiph@niiph.ru

Сарабьев Виктор Иванович, доктор технических наук, профессор, начальник отдела ФНПЦ НИИПХ, тел.: 8(496) 548-06-62, 548-62-17; e-mail: otd11_niiph@mail.ru

Шабунин Александр Иванович, кандидат технических наук, начальник лаборатории ФНПЦ НИИПХ