Особенности влияния катализаторов на горение баллиститного пороха в различных условиях

А. П. Денисюк, Л. А. Демидова, Ньен Чан Аунг

ОСОБЕННОСТИ ВЛИЯНИЯ КАТАЛИЗАТОРОВ НА ГОРЕНИЕ БАЛЛИСТИТНОГО ПОРОХА В РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ

Исследовано влияние 4% PbC>2 и 0,5% PbC>2+ 1% CuO на горение пороха Н (Ож = 3690 кДж/кг) в широком диапазоне давления - от долей атмосферы до 10 МПа и при начальной температуре заряда 293 и 393 К. Для выяснения причин падения эффективности действия катализаторов (Z) в области низких давлений с помощью электронной микроскопии исследована структура поверхности горения образцов, загашенных при различных давлениях. Установлено, что при Р<0,5 МПа также, как и в области умеренноповышенного давления, существует связь между накоплением катализатора на сажистом каркасе и величиной Z.

Известно, что широкое использование баллиститных порохов в качестве ракетных топлив стало возможным за счет введения в их состав катализаторов горения, позволяющих уменьшать зависимость скорости горения от давления (p) в умеренноповышенном его интервале (4-20 МПа). Причины этого заключаются в следующем. В работах [1,2] установлено, что катализ происходит лишь в случае, если на поверхности горения пороха образуется развитый углистый каркас, на котором происходит накопление частиц катализатора без их агломерации. С ростом давления (как правило, выше 1-3 МПа) возможность образования каркаса уменьшается, в результате чего эффективность действия катализаторов Z (Z=UK/Uo, где UK и Uo - скорость горения пороха с катализатором и без него, соответственно) падает, и поэтому происходит снижение значения v в законе горения U=Bpv. Однако, имеются отдельные факты [3], свидетельствующие о том, что катализаторы слабо влияют в интервале пониженного давления (ниже 1-3 МПа), т.е. кривая Z(p) проходит через максимум, и в интервале давления, когда величина Z растет, катализаторы увеличивают значение v. Причины этого явления не ясны и эти данные не согласуются с вышесказанным о влиянии давления на возможность образования каркаса. Действительно, казалось бы, что при низком давлении эта возможность должна быть наиболее высокой и максимума на кривой Z(p) не должно быть. Выяснение этого вопроса представляет не только научный, но и практический интерес. Так, для решения некоторых задач требуется получать пороха с регулируемой скоростью горения в диапазоне низкого давления, например, для топлив, применяемых в противоградовых ракетах и в различных газогенераторах.

В связи с этим целью данной работы явилось детальное изучение влияния катализаторов на горение пороха Н (Ож = 3690 кДж/кг) в широком диапазоне давления - от долей атмосферы до 10 МПа и при начальной температуре заряда (То) равной 293 и 393 К. В последнем случае обеспечивалось горение образцов в вакууме при более низком давлении, чем при 293К. Выбор пороха Н для исследований обусловлен тем, что закономерности его горения, в том числе и с катализаторами, изучены достаточно полно. В качестве катализаторов использовали мелкодисперсные PbO2 и CuO. Скорость горения при повышенном давлении определяли, сжигая образцы (диаметром 7 мм, высотой 15-20 мм) в бомбе постоянного давления в атмосфере азота, а при давлении ниже атмосферного - в вакуумном шкафу

объемом 0,04 м . Для обеспечения торцевого горения образцы плотно помещали в резиновые трубки. Время горения заряда фиксировали с помощью тензодатчика по приросту давления. Скорость относили к среднему давлению. В условиях вакуума прирост давления составлял от 4 до 10% от первоначального давления, а при давлении 10-2 МПа - 8-15%.

Рассмотрим сначала каталитическое влияние 4% PbO2 на горение пороха при различной температуре (рис. 1, 2).

Рис. 1 - Влияние 4%РЬ02 на скорость горения пороха Н при различном давлении и начальной температуре: 1, 3 - образец без катализатора; 2, 4 - образец с 4% РЬ02

Из рис.1 видно, что:

1. При Tо=293K катализатор значительно (с 0,08 до 0,026 МПа) снижает давление, с которого начинается горение пороха.

2. В вакууме и до давления ~0,5 МПа влияние катализатора уменьшается с ростом давления (это приводит к слаблению зависимость U(p): значение V снижается с 0,48 до

0,34).

3. В области давления от 0,5 МПа до 2 МПа эффективность действия катализатора резко увеличивается и достигает максимума ^^^2). В результате этого значение V увеличилось с 0,75 до 0,90.

4. После максимума значение Z резко падает и поэтому величина V в интервале давления до 6,5 МПа уменьшается до нуля.

5. При высокой (393К) начальной температуре заряда характер зависимость Z(p) качественно не отличается от таковой при комнатной температуре. Но влияние катализатора при температуре 393К существенно меньше, чем при ^>=293^ Эти

результаты согласуются с данными [4]. Значения Zмаx при ^>=293 и 393К равны ~ 2,0 и ~ 1,4 соответственно.

6. Следует отметить, что скорость горения образца без катализатора значительно сильнее зависит от начальной температуры по сравнению с образцом, содержащим PbO2, особенно при давлении, при котором Z достигает максимального значения.

2, икат/и„

Р,МПа

Рис. 2 - Зависимость эффективности действия 4% РЬ02 от давления для пороха Н при различной начальной температуре: 1 - Т=393К; 2 - Т=293К

Характер зависимости Z(p) для комбинированного катализатора (0,5% PbO2+1% СuO) при Tо=293K аналогичен этой зависимости для PbO2, но при этом его влияние в вакууме и до давления 0,8 МПа несколько ниже, чем влияние PbO2 (рис. 3).С ростом давления от 0,5 до 3 МПа эффективность комбинированного катализатора растет более резко, чем в случае PbO2 (значение V в этом диапазоне давления равно 1,2 ), и максимальное значение Z(2,6) превышает Zmax для PbO2. Выше давления 3 МПа происходит резкое падение Z, значение V уменьшается сначала до 0,27 а затем даже до отрицательного значения. При высокой температуре (393К) влияние комбинированного катализатора проявляется очень слабо во всем исследованном интервале давления. На зависимости Z(p) имеются слабо выраженный минимум и максимум.

Таким образом, для исследованных катализаторов наблюдается одинаково сложная зависимость Z(p). Причина уменьшения эффективности действия катализаторов с ростом давления после достижения Zmax и связанное с этим уменьшение значения V установлены в работах [1,2]. Причина же снижения значения Z в области пониженного давления (левая часть кривой Z(p) до Zmax) совершенно не ясна.

Рис. 3 - Влияние комбинированного катализатора 0,5% РЬ02 + 1% СиО на скорость горения пороха Н при различном давлении и начальной температуре: 1,3 - образец без катализатора; 2,4 - образец с катализатором

Для выяснения причин падения эффективности действия катализаторов в области низких давлений исследована структура поверхности горения пороха Н без катализатора и с 4% PbO2, загашенных при различном давлении и Tо=293K (рис. 4). Электронномикроскопические исследования показали, что, когда с ростом давления от 0,08 до 0,5 МПа величина Z падает, на этой поверхности сажистых образований становится меньше и степень покрытия её образованиями круглой формы, содержащими катализатор, снижается. При дальнейшем увеличении давления от 0,5 до 2 МПа, когда наблюдается рост величины Z, количество углерода и образований с катализатором на поверхности увеличивается. Как показано в работе [2], частицы катализатора в круглых образованиях распределены между сажистыми прослойками и соответствуют по размеру исходным частицам. На рис. 5 в качестве примера представлена структура поверхности горения катализированного образца, загашенного при давлениях, когда наблюдается минимальный и максимальный каталитический эффект. При p=0,5 МПа ^^п=1,4) на поверхности горения наблюдается наименьшее количество углеродных образований, которые лишь частично покрывают поверхность горения, и небольшое количество мелких (размером до 25 мкм) образований с катализатором (рис. 5.1). При р=2 МПа ^^-2,0) вся поверхность горения покрыта хорошоразветвленным сажистым каркасом, на котором удерживается большое количество образований с катализатором размером до 160 мкм (рис. 5.2), т.е. при горении на поверхности произошло максимальное накопление частиц катализатора для данного пороха, что и обеспечило, как это следует из работы [2], наибольшее увеличение скорости горения. Из сравнения рис. 5(2) и 5(3) видно, что сажистый каркас на поверхности погашенного образца без катализаторов при давлении 2 МПа существенно меньше, чем

2, икат/У0

Р,МПа

Рис. 4 - Зависимость эффективности действия катализатора 0,5% РЬ02+1% СиО от давления для пороха Н при различной начальной температуре: 1 - Т=393К; 2 -Т=293К

для образца с РbO2. Примерно то же наблюдается и при других давлениях. Из этого следует, что РbO2 в области низких давлений, также как и в диапазоне умеренноповышенного давления, способствует обильному сажеобразованию на поверхности горения, т. е. катализатор сам создает углистый каркас, на котором происходит его накопление. Таким образом, показано, что в области низких давлений ф< 0,5 МПа) также, как и в области умеренно-повышенного давления, существует связь между накоплением катализатора на сажистом каркасе и величиной Z. Однако, остается не ясным вопрос: почему в интервале от Zmin до Zmax с ростом давления высота и плотность сажистых образований возрастает. Увеличение эффективности действия добавки с ростом давления в этом интервале можно связать с тем, что на каркасе соотношение между частицами катализатора и сажистыми образованиями приближается к наиболее оптимальному, как это следует из работы [5], в которой показано, что соотношение между катализатором и сажей играет очень важную роль в катализе горения.

Рис. 5 - Структура поверхности горения порохов Н+4%РЬ02

Литература

1. Денисюк А.П., Марголин А.Д., Токарев Н.П., Хубаев В.Г., Демидова Л.А. Роль сажи при горении баллиститных порохов со свинец-содержащими катализаторами // Физика горения и взрыва.1977. Т. 13. № 4. С. 576-584.

2. Денисюк А.П., Демидова Л.А., Галкин В.И. Ведущая зона горения баллиститных порохов с катализаторами // Физика горения и взрыва. 1995. Т. 31. № 2. С. 32-40.

3. Денисюк А.П., Кувшинов В.М., Токарев Н.П., Хубаев В.Г. Влияние начальной температуры и давления на эффективность действия комбинированного катализатора при горении пороха Н // Вопросы теории взрывчатых веществ. Труды МХТИ. 1974. Вып.33, С.114-118.

4. Архипов А.Г., Денисюк А.П. Влияние катализаторов на горение конденсированных систем на основе нитроцеллюлозы // Физика горения и взрыва. 1990. Т. 27. № 5. С.118-123.

5. Денисюк А.П., Козырева Т.М., Хубаев В.Г. О влиянии соотношения между PbO с сажей на скорость горения баллиститного пороха // Физика горения и взрыва. 1975. Т. 11. № 3. С. 315-318.

© А. П. Денисюк - д-р техн. наук, проф. зав. каф. ХТВМС РХТУ им. Д.И. Менделеева; Л. А. Демидова - канд. техн. наук, вед. науч. сотр той же кафедры; Ньен Чан Аунг - асп. той же кафедры.