Особенности горения энергетических конденсированных систем на основе фазостабилизированного нитрата аммония

УДК 536.468:662.3

ОСОБЕННОСТИ ГОРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ФАЗОСТАБИЛИЗИРОВАННОГО НИТРАТА АММОНИЯ

Г.Я. ПАВЛОВЕЦ, В.Ю. МЕЛЕШКО, Б.И. ЛАРИОНОВ, A.A. ЕГОРКИН

Военная академия РВСН им. Петра Великого, Москва, Россия

АННОТАЦИЯ. Показана возможность создания высокоэнергетических смесевых твердых топлив на основе фазостабилизированного нитрата аммония с повышенной экологической чистотой продуктов сгорания. Широкий диапазон регулирования баллистических характеристик топлива обеспечивается использованием ультрадисперсного алюминия и в сочетании его с модификаторами горения.

Важными направлениями в создании перспективных энергетических конденсированных систем (ЭКС) являются разработка рецептур с повышенной экологической чистотой продуктов горения и достаточно низкой стоимостью. Достижение желаемых результатов может быть обеспечено применением нитрата аммония (НА) в качестве основного окислителя смесевых твердых топлив. Однако для этого потребовалось решить ряд проблемных вопросов, включая устранение фазовых переходов в диапазоне эксплуатационных температур и повышение реакционной активности продуктов разложения окислителя.

Исследования показали, что проблема фазовой стабилизации НА решается путем введения модифицирующих добавок при минимизации их содержания в окислителе. Подбор добавок проводится с использованием метода комбинаторного моделирования возможных структурных состояний твердых растворов на основе известной базовой структуры. Метод предполагает сочетание теоретических и экспериментальных исследований структурного состояния модифицируемых твердых растворов и позволяет «конструировать» модифицированные кристаллические кислородсодержащие соединения с требуемым комплексом свойств в качестве компонентов ЭКС.

Экспериментально установлено, что наиболее значительное воздействие на фазовую стабильность НА с эффектом синергизма оказывают комплексоны и другие соединения в сочетании с нитратом калия. Наряду с резким увеличением температурной области существования стабильного НА различные комбинации добавок при их содержании до 5% изменяют кинетику термолиза окислителей, снижая температуру начала его интенсивного разложения на 90... 140°С (рис.1).

Кроме того, исследованы возможности модифицирования НА путем введения в его структуру как широко используемых окислителей, так и соединений, которые могут привести к появлению новых свойств у НА, например, способности к самостоятельному горению при низких давлениях. В качестве наполнителей для кристаллизационных структур НА были использованы как нанодисперсные (менее ОДмкм) так и высокодисперсные (от 1 до 20 мкм) компоненты и модификаторы горения ЭКС, в том числе сажа, алюминий, нитраты целлюлозы, оксиды металлов и другие добавки (рис.2).

Рис.1. Термограммы разложения НА и его модификаций (-кривая ДТА,

--убыль массы а)

Рис.2. Термограммы ДТА систем: 1- чистый НА; 2 - НА: сажа (95:5);

3 - НА: алюминий

Исследованиями НА, «сокристаллизованного» с некоторыми водонерастворимы-ми компонентами ЭКС, установлено резкое увеличение тепловыделения в конденсированной фазе при нагреве систем.

Эффективность предложенного подхода к регулированию комплекса характеристик ЭКС путем применения комбинаций модифицирующих добавок, обеспечивающих фазовую стабилизацию НА и изменение кинетики его разложения, подтверждена исследованиями модельных составов ЭКС. Показана возможность создания высокоэнергетических смесевых твердых топлив на основе фазостабилизированного нитрата аммония с повышенной экологической чистотой продуктов горения, при этом обеспечивается расширение диапазона регулирования скорости горения при снижении не менее чем в 7...8 раз размеров образующихся агломератов на поверхности горения путем использования ультрадисперсного алюминия и его сплавов с размером частиц менее 0,5 мкм.

При термодинамически выгодных соотношениях компонентов и при подборе соответствующих комбинаций модификаторов горения и изменением удельной поверхности алюминия заменой АСД-4 на УДА обеспечивается увеличение скорости горения модельного топлива на основе НА в 2...5 раз при давлении 4 МПа (табл.). Наиболее эффективно на скорость горения воздействует сочетание использования УДА, комбинированного окислителя (НА-ПХА) и катализаторов горения (коллоидная медь-хромокись КМХО, диэтил-этинилферроцен ДЭЭФ).

Эффективным средством регулирования скорости горения нитратаммониевых топлив может быть модифицирование УДА сплавлением с другими металлами. Это подтверждается исследованиями УДА, легированного редкоземельными металлами (Ьа, У, Бт, Се, Эт+Оа, У+ва), в модельном составе при соотношении АСД-4:УДА=1:1 (рис.3).

Таблица. Баллистические характеристики модельного нитратаммониевого топлива

Содержание компонентов, % масс. Скорость горения и, мм/с при р, МПа

НА ПХА АСД-; УДА-7 катализатора 4,0 8,0

63 - 25 - - 1,9 2,6

63 - - 25 - 6,6 7,8

43 20 25 - - 2,6 3,4

43 20 - 25 - 7,6 8,8

43 20 - 25 1(КМХО) 9,4 10,7

43 20 - 25 1(ДЭЭФ) 10,6 12,4

1*4,0 >

мм/ с 8

УДА/АСД=1:1

р=4.0 МПа

б

4

2

Рис.3. Влияние модифицирующих металлов на уровень скорости горения модельного изопренового топлива НАЛ-12

Повышение реакционной активности УДА легированием редкоземельными и другими металлами в условиях горения СТТ позволяет, например, при меньшей суммарной удельной поверхности металлического горючего (АСД-4+УДА-РЗМ) по сравнению с УДА достигать уровней скорости горения топлива, оптимальных для конкретных условий функционирования зарядов СТТ.

Показано, что управление процессом горения низкотемпературных нитратаммо-ниевых топлив возможно путем разрушающего газодинамического воздействия на теплоизолирующий каркасный слой на горящей поверхности продуктами горения или интенсивного разложения модифицированного фазостабилизированного НА.

Интенсифицировать процесс разложения НА представляется возможным путем введения в его структуру соединений, способных к самостоятельному горению с высокими скоростями. Эффективность такого подхода к регулированию баллистических характеристик СТТ подтверждается исследованиями модельного топлива. В качестве модифицирующей добавки использовался сферический нитрат целлюлозы (СНЦ), который вводится в нитрат аммония методом сплавления и в виде механической смеси в соотношении НА к СНЦ как 25:75 и 45:55 (рис.4).

Результаты определения баллистических характеристик топлив свидетельствуют, что скорость горения СТТ, имеющих в своем составе окислитель в виде сплава НА с СНЦ, значительно выше аналогичных топлив с окислителями в виде механической смеси во всем исследованном диапазоне давлений. Введение СНЦ в состав топлива снижает коэффициент чувствительности скорости горения к давлению V и обеспечивают устойчивое горение топлива при пониженных давлениях.

и,мм/с

3

;3 V = 0,15

«4 У=0,20

2

« 1 V = 0,41 4 2 V = 0,4Г

1

-5У= 0,48

0

20

40

60 рдсгс/см2

Рис.4. Влияние СНЦ на зависимость скорости горения от давления нитратаммо-ниевых топлив, содержащих: 1 - сплав НА и СНЦ

Таким образом, проблемы применения нитрата аммония в качестве компонента ЭКС, обусловленные наличием фазовых превращений в диапазоне эксплуатационных температур и низкой реакционной активностью продуктов его разложения, могут быть решены путем введения в структуру НА комбинации фазостабилизирующих и модифицирующих добавок. Формирование низкотемпературных топлив с повышенной экологической чистотой продуктов сгорания и минимальным содержанием в них конденсированной фазы возможно в комбинации фазостабилизированного НА с различными бесхлорными окислителями. Создание высокоэнергетических СТТ на основе фазостабилизированного НА с широким диапазоном регулирования баллистических характеристик обеспечивается использованием ультрадисперсного алюминия и в сочетании его с модификаторами горения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Иванов В.В., Таланов В.М. Структурно-комбинаторное моделирование упорядоченных шпинелоидов // Журн. структ. химии. Т.ЗЗ. №3. 1992.

2. Павловец Г.Я., Мелешко В.Ю., Милехин Ю.М., Ларионов Б.И. Пути решения проблемы применения нитрата аммония в смесевых твердых топливах. Известия PAP АН. 2004.

3. Павловец Г.Я., Шишов Н.И., Севрюков И.Т., Бестужева Т.А. Пути и способы модифицирования окислителей для регулирования характеристик энергетических конденсированных систем // Вооружение. Политика. Конверсия. - 2002. - Вып. 5 (47).

4. Милехин Ю.М., Ларионов Б.И., Попов B.C., Шитов О.Г. Некоторые результаты исследования нестационарного горения низкотемпературных СТТ // Труды II Всероссийской научной конференции по фундаментальным и прикладным проблемам современной механики. - Томск. 2000.

SUMMARY. A creation potential of energetic condensed substances on basis of the phasestabilized ammonium nitrate with pollution-free combustion products is shown. Wide range regulation of ballistic characteristic may provide with superdispersed aluminium powder and combustion modifier.