Области существования и характеристики режимов горения пороха при спаде давления

В. Н. Александров, Б. Д. Диновецкий, А. В. Косточко ОБЛАСТИ СУЩЕСТВОВАНИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕЖИМОВ ГОРЕНИЯ ПОРОХА ПРИ СПАДЕ ДАВЛЕНИЯ

Ключевые слова: порох, спад давления, горение, погасание, прерывистое погасание,

повторное воспламенение

В широком интервале начальных давлений (4^250 МПа) экспериментально показано наличие четырех режимов горения пороха при спаде давления: горение, погасание, прерывистое погасание, повторное воспламенение. Определены области их существования и характеристики в зависимости от параметров спада давления, природы и состава пороха.

Keywords: gun-powder, burning, extinguish, periodical extinguish, re-inflammation.

In wide area of initial pressure (4^250 МРа) it is shown experimentally existence of four conditions for gun-powder burning presses reduction: burning, extinguish, periodical extinguish, re-inflammation. It is defined areas of it existence and characteristics in function ofpressure reduction parameters, nature and contents of gun-powder.

Исследованию нестационарных явлений при горении пороха на спаде давления посвящен ряд теоретических [1, 2] и экспериментальных [3-5] работ, выполненных применительно к устройствам, горение пороха в которых происходит при низких (<12МПа) давлениях. В то же время имеются устройства, горение пороха в которых происходит в нестационарных условиях при высоких давлениях (>50МПа). Для проектирования этих устройств, уточнения представлений о процессах происходящих в них, изучения механизма нестационарного горения при переменном давлении необходимо проведение систематических исследований в указанной области давления.

В настоящей работе приводятся результаты исследований горения ряда порохов (баллиститного, пироксилинового, смесевого, модельных композиций) при спаде давления с различными скоростями (Р') с начального уровня Рн=4^250 МПа до конечного давления Рк=0,1^50 МПа. Определяли режимы горения пороха, их характеристики и области существования.

Эксперимент проводили на установке, в которой параллельно с регистрацией давления осуществлялась скоростная киносъемка горения образца прижатого торцом к смотровому окну. При гашении пороха в области высоких давлений (Рн>50МПа) горение пороха происходило вначале при подъеме давления, а затем, после разрушения мембраны, прикрывающей сопло, при спаде давления. Подъем давления происходил за счет сгорания дополнительного заряда из пироксилинового пороха. При проведении исследований в области низких давлений (Рн<20МПа) горение пороха после воспламенения происходило при практически постоянном давлении, и затем, после разрушения мембраны из сгорающего материала, при спаде давления. Истечение продуктов сгорания происходило в буферный баллон, соединенный с атмосферой (Рк^0,1МПа) или в герметичный сосуд

(Рк>0,1МПа). Пороховой заряд воспламеняли навеской дымного ружейного пороха ДРП-2, расчетное максимальное давление при сгорании воспламенителя Рв=10МПа.

Результаты исследований показали, что в зависимости от параметров спада давления (Рн, Рк, Р' ), существуют четыре режима горения пороха: горение (Г), погасание (П), прерывистое погасание (1111) и повторное воспламенение (ПВ).

При горении диаметр образца непрерывно уменьшался, газовая зона постоянно находилась над поверхностью образца, в результате образец сгорал. При погасании прекращалось изменение размеров образца, исчезала газовая зона, образец после опыта находился в камере сгорания. При прерывистом погасании происходила остановка горения, во время которой размеры образца не изменялись. После остановки образец воспламенялся, какое-то время горел и окончательно погасал. После опыта образец находился в камере. При повторном воспламенении образец погасал, затем воспламенялся и сгорал.

Следует отметить, что до настоящего времени было известно три режима горения пороха (Г, П, ПВ) определенных для баллиститного пороха в области низких давлений [4]. Режим прерывистого погасания пороха обнаружен нами впервые при горении пороха в области низких и высоких давлений. Этот режим в чем-то аналогичен ПВ. В обоих режимах происходит временная остановка горения и последующее воспламенение образца, но в ПП оно завершается погасанием, а в ПВ сгоранием образца. Это связано, видимо, с тем, что остановка горения и воспламенение образца при ПП происходит на спаде давления, а при ПВ при практически постоянном давлении.

При спадах давления до Рк=0,1МПа наблюдались все указанные режимы горения пороха. Результаты этих опытов, нанесённые на график в координатах Р' — Рн, позволили построить «кривую погасания» (рис.1.), разделяющую плоскость графика на две области, в одной располагались параметры спадов давления для опытов, в которых порох сгорал, а в другой - погасал. На «кривой погасания» расположены значения критических скоростей спада давления Р'кр, т.е. минимальные значения, приводящие к погасанию пороха. Ниже приведены уравнения «:кривых погасания» для некоторых порохов:

НДТ-3

9/7

АПЦ-235

БП+«О»

РСИ-12К

Т9

Р'кр =13,2Рн-48,4 Рн=

Р'кр=55Рн-200 Рн=

Р'кр=242Рн-16370 Рн

Р'кр=20Рн+4800 Рн=

Р'кр=447Рн-22680 Рн

Р'кр=123Рн-5514 Рн

Р'кр=1849Рн-235841 Рн

Р'кр=58,9Рн-2879 Рн

Р'кр=33,7Рн-134,7 Рн

Р'кр=12Рн-20 Рн

Р'кр=48,3Рн-191,5 Рн

<5-12) МПа; <25-75) МПа; <80-250) МПа; <20-70) МПа; <80-150) МПа; <85-135) МПа; <135-180) МПа; <65-120) МПа; <6-10) МПа; (2-5) МПа; <5-12) МПа.

« Кривые погасания» позволяют решать две задачи:

-определение параметров спада давления, обеспечивающих заданный режим горения пороха при спаде давления;

-определение режима горения пороха при известных параметрах спада давления.

Погасание и воспламенение образцов при ПП происходило во время спада давления. Прерывистое погасание наблюдалось в опытах, параметры спадов в которых близки к критическим и расположены в достаточно узкой полосе, прилегающей к «кривой погасания» (рис.1.) Видимо, с достаточно большой вероятностью, можно предположить, что области горения и погасания порохов разделяет не «кривая погасания», а «полоса погасания».

При ПП пороха НДТ (Рн=60 МПа) остановка горения происходила через 18-22 мс после начала спада давления, при давлении 14-18 МПа, порох окончательно погасал при давлении 9-11 МПа. Остановка горения пороха 9/7 (Рн=70 МПа) длилась 7-8 мс, окончательно порох погасал через 24-26 мс при давлении 8-11 МПа. Погасанию пороха РСИ при ПП (Рн=6,5 МПа) предшествовали две остановки горения, первая длительностью 5 мс произошла через 112 мс после начала спада давления, вторая через 150 мс. Длительность остановок составляла 5 и 32 мс соответственно. Окончательно порох погас через 250 мс при давлении 1,5 МПа. Остановка горения пороха Т-9 при ПП (Рн=4,5 МПа) произошла через 68 мс, продолжительность остановки 15 мс. Окончательно порох погас через 125 мс при давлении 0,7 МПа.

Рис. 1 - Зависимость Р'кр- Рн 1- ПП 9/7

Режим погасания пороха характеризовали временем погасанием (1п), временем от начала спада давления до момента прекращения изменения размеров образца, и давлением погасания (Рп) - давлением, при котором это происходило. Для исследованных порохов определены зависимости ^-Р' характер которых одинаков в области низких и высоких давлений. В начале, при увеличении скорости спада давления, время погасания резко падает, а затем, при дальнейшем увеличении скорости спада оно уменьшается незначительно, стремясь к постоянному значению (1м). Величина 1м в интервале Рн= 10-60 МПа с увеличением давления уменьшается, а затем, до Рн=150 МПа остается неизменной (1м=9-10 мс). Значение 1м не зависят от природы и состава пороха. Исключение составляют модельные составы на основе азидопентона, для которых значение 1м изменяются в зависимости от содержания ази-допентона и пироксилиновые пороха, значение 1м которых зависят от их пористости. Это необходимо учитывать при анализе горения пористых систем, например, нитратцеллюлоз-ных блоков [6].

Давления погасания для исследованных составов составляют: в области высоких давлений - (5-40) МПа, в области низких давлений - (0,7-3,2) МПа.

Повторное воспламенение образца пороха, погашенного при Рк«0,1МПа, происходило с большой задержкой по времени (>1с) при давлении близком к атмосферному и, как правило, не регистрировалось аппаратурой. О повторном воспламенении пороха судили по отсутствию в камере образца, погасание которого зафиксировано на кинопленке. ПВ характеризовали частотой появления - отношением числа опытов с ПВ (N-1) к общему числу опытов с погасанием (№>10). Исследовали влияние природы и состава пороха, формы и размеров порохового элемента, конструкции камеры сгорания.

Как следует из результатов исследований (табл. 1) значения N изменяются в широких пределах (0-100%) и, как правило, N<100%. Значения N в области низких давлений несколько выше по сравнению со значениями N в области высоких давлений, что обусловлено, видимо, некоторыми различиями в методиках проведения эксперимента. Но не смотря на это тенденции влияния различных факторов на ПВ аналогичны. Штатные пороха по мере уменьшения склонности к ПВ можно расположить в следующий ряд: пироксилиновые пороха (22/1, 14/7*) - N=46-50, баллиститные пороха (НДТ, Н) - N=10-30, смесевые составы (Т-9, ТСП) - N=0.

Введение катализаторов и стабилизаторов горения повышает склонность балли-ститных порохов к ПВ (НДТ и НДТ+РЬО) на 10-15%, (РСИ и НДТ) на 35%, (ПМ-70 и ПМ-70+ТіО2) на 50%, (В-59 и НДТ) в 3 раза. Повышение склонности к ПВ указанных композиций при вводе катализаторов и стабилизаторов горения обусловлено интенсификацией реакций и накоплением тепла в к-фазе погашенного пороха. Введение октогена (ЦН, 651с) и гексогена (ПМ-70, ПМ-25), снижает склонность к ПВ за счет затрат тепла на их плавление.

Таблица 1 - Влияние природы и состава пороха на ПВ

№ обр. Образец Рн, МПа Р'*10-2, МПа/с N % , а нП РМ Р'*10-1, МПа/с їм, % Ъ, м/с

1 НДТ 40-250 50-400 30 11 10-59 34 -

2 НДТ+РЬО 150 200-590 33 11 11-63 39 -

3 Н 150 150-700 10 - - - -

4 РСИ - - - 6-11 5 -1 5 46 -

5 14/7* 70 6 0 1 0 о 50 - - - -

6 22/1 75 9 0 1 2 о 46 - - - -

7 Т-9 40-90 2 0 1 6 о 0 0 -1 2 4-40 8 -

8 ТСП 150 360-800 0 - - - -

9 ПМ-70 150 65-830 0 12 10-50 12 -

10 ПМ-70+Ті02 - - - 12 12-35 18 -

11 ПМ-25 170 56-750 0 12 9-50 14 -

12 651с 100 4 0 1 6 о 14 - - - -

13 ЦН 100 60-400 0 - - - -

14 В-59 80 50-70 100 - - - 6,0

15 В-26 80 45-100 40 - - - 9,6

16 В-46 80 4 0 1 8 о 33 - - - 12,6

17 АЦ-228 - - - 11 5,6-13,5 75 30

18 АЦ-246 - - - 11 4,8-25 57 40

19 АЦ-264 - - - 11 3,1-40,1 10 90

* Каналы заполнены инертной негорючей массой.

Склонность к ПВ погашенных порохов зависит от их воспламеняемости, чем хуже воспламеняемость, тем больше вероятность распределения тепла, имеющегося в прогретом слое в глубь образца и тем меньше вероятность ПВ. Воспламеняемость погашенного образца может отличаться от воспламеняемости исходного: она может понижаться за счет уменьшения содержания азота в поверхностном слое пороха и повышаться за счет увеличения шероховатости и степени черноты поверхности. Как следует из результатов исследований (табл.1.) значения N порохов В-59, В-26, В-46 и АЦ-228, АЦ-246, АЦ-264 изменяются в зависимости от воспламеняемости исходных образцов, определённой по методу

А.Е. Коршунова [7].

Время задержки воспламенения зависит также от размеров пороховых элементов, оно увеличивается для пироксилиновых порохов в ряду 4/7, 9/7, 14/7, 22/1, а значение N уменьшаются от 100% до 46% (табл.2). Чем меньше диаметр канала (<3к), тем выше значение N.

Таблица 2 - Влияние конструктивных характеристик и канального эффекта на ПВ

№ Порох ^, мм W0, см3 Б^0, см-1 Рн, МПа Р'*10'2, МПа/с N %

1 4/7 0,28 2,1 4,8 55 250^300 27

2 4/7 0,28 6,3 3,55 55 2 0 1 5 О 54

3 4/7 0,28 32,1 1,75 55 250^300 100

4 4/7 0,28 86,2 1,71 55 210^280 100

5 9/7 0,51 32,1 1,75 60^80 80^200 95

6 14/7 0,75 32,1 1,75 70 6 0 1 0 О 75

7 14/7* 0,75 32,1 1,75 70 6 0 1 0 О 50

8 22/1 2,1 32,1 1,75 75 9 0 1 2 о 46

*Каналы заполнены инертной негорючей массой.

При анализе зависимости N4:3 для этих порохов необходимо учитывать также различные состояния погашенных поверхностей пороховых элементов, наружной и поверхности каналов, что естественно влияет на значение N. Заполнение каналов пороха 14/7 инертной негорючей массой привело к снижению N на 25% (табл.2).

Значение N зависят от конструктивных характеристик камеры сжигания, уменьшение отношения поверхности канала камеры к ее объему (S/Wo) приводит к увеличению значения N и при S/W0<1,7 порох 4/7 воспламеняется всегда (N=100%). Это обусловлено тем, что с увеличением S/Wo возрастают теплопотери в стенки камеры [8] и понижается температура пороховых газов окружающих погашенный образец. В соответствии с этим увеличивается время задержки воспламенения и уменьшается значение N.

Известно, что надежное воспламенение пороха происходят при давлении продуктов сгорания, превышающих некоторое минимальное значение [9]. Если значение Рк будет больше этого давления, то погашенный порох будет надежно воспламеняться (N=100%). Результаты гашения пороха НДТ при Рк>3МПа (Рн=30 и 100МПа) показали, что во всех опытах происходило повторное воспламенение погашенного образца, которое характеризовали временем погасания (1п) и временем задержки воспламенения погашенного образца (1о).

Рис. 2 - Зависимости 1п-Р'

Время задержки воспламенения погашенного пороха зависит от значений Р' и Р'к. Зависимость 1о-Р' (рис. 2) состоит из двух участков. При небольших значениях Р' время задержки воспламенения увеличивается с ростом скорости спада давления, а затем практически не изменяется (1б). Это свидетельствует о том, что состояние поверхностного слоя погашенного пороха зависит от Р'. Чем больше скорость спада, тем большая часть реакционного слоя уносится с поверхности пороха. Начиная с некоторой скорости спада давления, уносится основная часть реакционного слоя и состояние поверхностного слоя и ^ перестают зависеть от Р'. Изложенная трактовка состояния поверхности пороха в зависимости от спада давления подтверждается характером зависимости ^-Р'. Эта зависимость (рис.2) также имеет два участка, вначале время погасания уменьшается с увеличением скорости спада давления, а затем остается постоянным. Границы участков на рассмотренных зависимостях хорошо совпадают. Характер зависимостей 1о - Р' и ^ - Р' свидетельствует о значительной роли уноса жидко-вязкого слоя в механизме горения пороха при спаде давления.

Зависимость 1б-Рк имеет характерный для зависимости времени задержки от плотности теплового потока вид, значения 1б (60-3) мс уменьшаются с увеличением Рк (3-50) МПа. Результаты, полученные при различных Рк, хорошо ложатся на одну кривую. При Рк^4МПа на зависимости 1б-Рк наблюдается резкий рост 1б. Экстраполяция этой зависимости в область ю позволила определить минимальное давление, при котором еще будет происходить воспламенение погашенного образца. Для НДТ оно составило ^2МПа, т.е. при давлении >2МПа будет происходить повторное воспламенение погашенного образца (N=100%).

Результаты исследований позволяют сделать вывод о механизме повторного воспламенения пороха, в частности, о роли запаса тепла прогретого слоя погашенного пороха в восстановлении горения. В литературе отсутствует единая точка зрения по этому вопросу. Авторы [10] утверждают, что остаточного тепла в прогретом слое пороха достаточно для возникновения горения. В [5] показано, что этого недостаточно и для восстановления горения необходим внешний источник энергии, в качестве которого могут служить: остатки углеродного каркаса, продукты сгорания пороха и воспламенителя, разогретые элементы узла воспламенения и стенки камеры и т. д. Непосредственные измерения температуры прогретого слоя пороха в процессе погасания [4] также не позволили определить причину повторного воспламенения.

В наших опытах (Рк=0,1МПа) погасание пороха происходило в атмосфере высокотемпературных пороховых газов и, тем не менее, повторное воспламенение пороха происходило не всегда. Значение N как правило, меньше 100%, а для некоторых образцов N=0.

Исключение составляют порох 4/7 и В-59. Высокая склонность к ПВ пороха 4/7 связана с особенностями горения и погасания поверхности узких каналов, а В-59 с наличием в его составе эффективного катализатора горения, введение которого приводит к увеличению скорости горения в 1,7 раза. И только в опытах с Рк>3МПа воспламенение погашенного образца происходило всегда (N=100%). Таким образом, результаты исследований показывают, что тепла в прогретом слое погашенного пороха недостаточно для повторного воспламенения образца, для этого необходим внешний источник энергии.

Исследование горения пороха НДТ при спаде давления до Рк>3МПа (Рн=30МПа и 100МПа, И=Рк/Рн=(0,08-0,5)) показало, что горение происходит в двух режимах: горение (Г) и повторное воспламенение (ПВ). Погасание пороха при ПВ происходило после завершения спада давления, когда давление было практически постоянным. Относительное время горения пороха на плато давления в общем времени погасания (1п) достаточно велико и составляло (25-75)%.

Результаты опытов позволили определить «кривую погасания», разделяющую плоскость графика в координатах Р'—И на две области, в одной располагаются параметры спадов давления при которых горение пороха происходило в режиме ПВ, а в другой - в режиме Г (рис. 3). На «кривой погасания» расположены значения критических скоростей спада давления, отклонение от которых приводит к смене режима горения пороха. Значения Р'кр для поверхности канала(ПК) существенно выше по сравнению с величиной Р'кр для наружной поверхности(НП). Различие в этих значениях увеличивается с повышением Рн. Ниже приведены уравнения «кривых погасания»:

Рн=30 МПа Р'кр=870+6257И НП;

Р'кр=871+28857И ПК;

Рн=100 МПа Р'кр=7950+34100И НП;

Р'кр=7945+212750И ПК.

Экстраполяция полученных «кривых погасания» в область низких значений И позволила определить значения Р'кр при И=1/1000 и И=1/300, которые хорошо совпадают со значениями Р'кр, определенными при спадах давления до Рк=0,1МПа при Рн=30МПа и 100МПа.(рис. 1).

Исходя из результатов исследований, предложена схема расположения областей существования режимов горения пороха в среде продуктов сгорания при спаде давления (рис. 4). Погасание происходит в области 1. Значение ^=Р1/Рн, где Р1 - значение давления, ниже которого пороха не горят. В области 2 возможно как погасание, так и повторное воспламенение пороха. Здесь И2=Р2/Рн, И3=Р3/Рн, где Р2 - атмосферное давление, Р3-значение давления пороховых газов, ниже которого пороха не воспламеняются. Значение Рз было определено экстраполяцией в область 1о^го зависимости времени остановки горения от Рк. Горение пороха в области 3 происходит в режиме ПВ, в области 4 - Г, а в области 5 - ПП.

Границы областей и их наличие зависят от параметров спада давления, условий гашения и характеристик пороха. Так, например, для пороха В-59 (N=100%) область 2 сольётся с областью 3 и в этой области будет происходить ПВ, а для пороха Т-9 (N=0%) объединятся области 1 и 2, и в этой области будет происходить погасание образца. При гашении пороха Н в среде азота [3] области 1, 2 и 3 сливаются в одну, в которой происходит погасание пороха.

Рис. 3 - Зависимость Р' - И: 1 -НП, Рн=30МПа (  - ПВ, ♦ - Г); 2 - ПК, Рн=30МПа; 3 -НП, Рн=100МПа; 4 - ПК, Рн=100МПа

1г1 Ы! ЬЗ и

Рис. 4 - Схема областей существования режимов горения пороха

Литература

1. Новожилов, Б.В. Нестационарное горение твердых ракетных топлив / Б.В.Новожилов. - М.: Наука, 1973. - 139с.

2. Зельдович, Я.Б. Теория нестационарного горения пороха / Я.Б. Зельдович, О.И. Лейпунский, В.Б. Либрович. - М.: Наука, 1975. - 132с.

3. Маршаков, В.Н. Горение и потухание пороха при быстром спаде давления/ В.Н. Маршаков, О.И. Лейпунский // Физика горения и взрыва. -1967. - Т.3. - №2. -С.231-235.

4. Земских, В.И. Три характерных режима горения баллиститных порохов при спаде давления /

В.И. Земских, А.Г. Истратов, О.И. Лейпунский, В.Н. Маршаков // Физика горения и взрыва. -1977. - Т.13. - №1. - С.14-19.

5. Земских, В.И. Повторное воспламенение конденсированных реагирующих веществ / В.И. Земских, О.И. Лейпунский // Физика горения и взрыва. - 1987. - Т.23. -№2. - С.3-10.

6. Сафронов, П.О. Особенности горения нитратцеллюлозных блоков / П.О. Сафронов, Б.Д. Дино-вецкий, Ю.М. Филиппов, В.Н. Александров, А.В. Косточко // Вестник Казан. технол. ун-та -2009, - Спец. Выпуск - С. - 85-90.

7. Синаев, К.И. Лабораторные работы по внутренней баллистике: учеб. пособие для вузов / К.И. Синаев, Б.М. Казбан, БД. Диновецкий, В.П. Матвеев, В.Н. Наумов. - М.: ЦНИИНТИ, 1986. - 107с.

8. Серебряков, М.Е. Внутренняя баллистика ствольных систем и пороховых ракет / М.Е. Серебряков. - М.: Оборонгиз, 1962. - 703с.

9. Лушкин, В.П. Изучение воспламенения вторичных веществ в замкнутом объеме: автореф. дис. ... канд. техн. наук / В.П. Лушки. н- М., 1968. - 22с.

10. Ассовский, И.Г. Теплопередача в газовой и конденсированной фазах топлива при погасании / М.Г. Ассовский, Е.П. Клейменов, О.И. Лейпунский // Физика горения и взрыва. - 1981. - №2. -

С.99-101.

© В. Н. Александров - канд. техн. наук, доц. каф. химии и технологии высокомолекулярных соединений КГТУ, aleks0815@kstu.ru; Б. Д. Диновецкий - д-р техн. наук, проф. каф. химии и технологии высокомолекулярных соединений КГТУ; А. В. Косточко - д-р техн. наук, проф., зав. каф. химии и технологии высокомолекулярных соединений КГТУ.