Влияние соотношения компонентов на горение металлизированных топлив при субатмосферных давлениях

№ 298

ВЕСТНИК ТОМСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

Май

2007

ФИЗИКА

УДК 662.23

Т.И. Горбенко

ВЛИЯНИЕ СООТНОШЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ НА ГОРЕНИЕ МЕТАЛЛИЗИРОВАННЫХ ТОПЛИВ ПРИ СУБАТМОСФЕРНЫХ ДАВЛЕНИЯХ

Работа выполнена при поддержке РФФИ (проекты № 05-03-32729 и 05-08-18237), при поддержке государственного контракта № 02.513.11.3009 «Высокоэнергетические нанокомпозиты», выполняемого в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2012 годы».

Представлены результаты экспериментальных исследований влияния отношения окислительных и горючих компонентов на характеристики горения модельных композиций на основе двойного окислителя (перхлорат аммония/октоген), содержащих промышленный порошок алюминия АСД-4 и ультрадисперсный порошок алюминия Alex. Показано, что при замене АСД-4 на Alex в диапазоне давлений 0,03^0,10 МПа скорость горения увеличивается в 1,5 раза и более. По результатам исследований показана возможность регулирования закона скорости горения за счет варьирования коэффициента избытка окислителя.

В настоящее время в России и за рубежом активно ведется разработка и исследование свойств новых высокоэнергетических материалов, обладающих высоким удельным импульсом, экологически приемлемыми продуктами сгорания и технологичных в изготовлении. Исследования [1, 2] показывают, что практический интерес имеет изучение систем на смешанном окислителе перхлорат аммония/октоген (АР/НМХ), содержащих ультрадисперсный порошок алюминия (УДП А1).

Авторами работ [2, 3] показано, что замена промышленного порошка алюминия на УДП А1 приводит к увеличению скорости горения систем на основе каучукового связующего. В некоторых случаях зафиксировано уменьшение показателя степени в законе скорости горения, уменьшение температуры воспламенения (за счет использования УДП А1), увеличение полноты сгорания металла. В физическом эксперименте, при высоких давлениях, высоких скоростях горения, часто невозможно исследовать влияние различных параметров на механизм горения. В литературе отсутствуют данные по влиянию УДП А1 в топливных композициях на скорость горения при низких давлениях. Изучение систем на УДП А1 при субатмосферных давлениях имеет важное практическое значение. При понижении давления химические реакции идут медленнее, что способствует более яркому проявлению влияния соотношения компонентов, добавок на характеристики горения. Более точное представление о механизме горения топлива необходимо при разработке новых рецептур высокоэнергетических материалов, а также важно при поиске путей расширения области применения таких топлив, например в космической промышленности.

Целью настоящей работы является экспериментальное исследование влияния УДП А1, коэффициента избытка окислителя а, добавки хлорида олова на характеристики горения топлива на двойном окислителе АР/НМХ при низких (доат-мосферных) давлениях.

В работе определены скорости горения модельных композиций в диапазоне давлений 0,03^0,10 МПа (250^760 мм Н£). Использовались композиции, содержащие двойной окислитель АР/НМХ в соотношении 1/1, металлическое горючее в количестве 15 мас. % УДП А1 (р43 = 0,18 мкм), промышленный алюминий -АСД-4 (043 = 7,34 мкм) и горючее связующее - СКДМ-80. В процессе варьирования концентрации исходных компонентов в топливе были выбраны системы с коэффициентом избытка окислителя а = 0 ,30^0,55.

Для обоснования выбора предложенной рецептуры топлива был проведен термодинамический расчет с использованием программного комплекса «Астра-4». Термодинамический расчет (табл. 1) для топливной композиции AP/НМХ проведен в диапазоне рабочего давления в двигателе 4 МПа. Анализ результатов термодинамического расчета показывает, что предложенная рецептура топливной композиции обладает высокими энергетическими характеристиками по сравнению с системой на чистом AP. Это оправдывает дальнейшее исследование предложенной композиции не только в области высоких давлений, но и в области субатмосферных давлений. При увеличении а удельный импульс в пустоте 1уд возрастает от 252 до 278 с. При этом расчетное значение адиабатической температуры горения увеличивается от 2380 до 3330 К.

Показано, что в композициях на двойном окислителе АР/НМХ (1/1) возможно снижение содержания HCl в продуктах сгорания почти в два раза по сравнению с чистым АР от 5,6 до 3,2 моль/кг при а = 0,5. При этом 1уд для указанной композиции возрастает по сравнению с чистым АР от 269 до 278 с (а = 0,5, z = 15%). В таблице также приведены значение молярной массы газовой фазы (ММ) и содержание конденсированной двуокиси алюминия (к*А12Оз) в продуктах сгорания.

Основной частью экспериментальной установки для изучения процесса горения при давлениях ниже атмосферного является вакуумная система, состоящая из вакуумного колпака, дополнительного объема, служащего для уменьшения колебаний давлений в процессе проведения опыта. Необходимое разрежение в системе создается насосом. Поджигание образца осуществлялось электрозапалом, который после воспламенения отводился от образца магнитом. Прохождение фронта горения регистрировалось с помощью термопар и записывалось на шлейфовый осциллограф. База между спаями термопар известна. Исследовались образцы цилиндрической формы, изготовленные методом проходного прессования, высотой 15 мм, диаметром 10 мм, бронированные по боковой поверхности двумя слоями клея БФ.

Скорость горения в указанном диапазоне давлений характеризовали величиной, являющейся средней арифметической из 3^5 параллельных опытов. Разброс в параллельных определениях скорости горения не превышал 10^15%. В результате проведенных экспе-

риментов получены закономерности исследуемых процессов горения, законы скорости горения в зависимости от дисперсности порошка алюминия в составе сме-севых композиций и коэффициента избытка окислителя а.

Таблица 1

Термодинамические характеристики топливной композиции АР/НМХ (1/1) при р = 4 МПа, і = 15%

Композиция Состав, мас. %

,3 II а а = 0,4 ,5 II а ,5 II а

СКДМ-80 20,6 14,0 9,2 15,8

АР 32,2 35,5 37,9 69,2

НМХ 32,2 35,5 37,9 -

А1 15,0 15,0 15,0 15,0

Характеристики рецептур

Лл, с 252,6 269,9 278,8 269,5

Т, К 2382 2932 3331 3077

ММГ, г/моль 17,7 17,6 19,1 18,3

Содержание продуктов сгорания, моль/кг

НС1 1,6 3,0 3,2 5,6

к*АЬОз 2,6 2,8 2,8 2,8

Анализ результатов экспериментов (рис. 1, 2), проведенных на модельных композициях с двойным окислителем АР/НМХ в соотношении 1/1, показывает, что повышение а от 0,3 до 0,4 приводит к увеличению скорости горения для топлив, содержащих алюминий марки АСД-4. Для композиций с а = 0,5 при давлении 0,10 МПа скорость горения возрастает незначительно, при давлении 0,08 МПа - остается практически неизменной, а при давлении 0,07 МПа и ниже наблюдается снижение скорости

и, мм/с

горения. Однако следует заметить, что рост а для топлив на АСД-4 расширяет диапазон низких давлений (от 0,05 МПа при а = 0,3 до 0,03 МПа при а = 0,4; 0,5) устойчивого горения исследуемых композиций. Замена штатного порошка алюминия АСД-4 на УДП А1 позволяет увеличить скорость горения модельных композиций в 1,5 раза и более. При этом с ростом значений а устойчиво повышается скорость горения композиций с УДП А1 в исследуемом диапазоне давлений.

Рис. 1. Скорость горения модельных композиций с АСД-4 в зависимости от давления: 1 - а = 0,3; 2 - а = 0,4; 3 - а = 0,5

Рис. 2. Скорость горения модельных композиций с УДП А1 в зависимости от давления: 1 - а = 0,3; 2 - а = 0,4; 3 - а = 0,5

Эффективность введения УДП А1 (К) оценивали по отношению скорости горения состава с УДП А1 к скорости горения состава с АСД-4. Эффективность введения УДП А1 по отношению к АСД-4 для составов с а = 0,3; 0,4 с понижением давления от 0,10 МПа до 0,05 МПа падает (табл. 2), а для состава с а = 0,5 эффективность с понижением давления увеличивается от 2,10 (при р = 0,1 МПа) до 2,68 (при р = 0,07 МПа).

Скорость горения

( V Р

Ат,

где а - скорость горения при атмосферном давлении, мм/с; р - давление в камере, МПа; ратм - атмосферное давление, МПа; V - показатель в законе скорости горения (константы а и z приведены в табл. 3). Статистическая обработка результатов эксперимента проводилась с помощью стандартного пакета «МаЛСаё». Коэффициент корреляции Пирсона Я при определении констант для состава с УДП А1 (а=0,5) равен 0,91, для остальных - 0,95^0,99. Для композиций с алюминием АСД-4 показатель V в диапазоне а = 0,3^0,5 увеличивается от 0,53 до 0,96, а для композиций с УДП А1 - от 0,70 до 1,13 при увеличении а от 0,3 до 0,4. Эти закономерности горения качественно согласуются с данными работы [4], полученными при высоких давлениях (0,10-8,0 МПа).

При а = 0,5 для топлив с УДП А1 происходит значительное снижение показателя V в степенном законе скорости горения, почти в два раза, до 0,65. Этот результат согласуется с данными работы [5], где показано, что УДП А1 повышает скорость горения топлива и в одних случаях приводит к снижению показателя V в законе скорости горения, в других - к росту.

Для топлив, содержащих АСД-4, при а = 0,3; 0,4; 0,5 наблюдается изменение плотности образцов от 1,61 до 1,74 г/см3. Повышение а приводит к увеличению полноты прохождения химических реакций, температуры горения. Возрастает скорость химических реакций. За счет теплового потока увеличивается прогретый слой, это ведет к накоплению продуктов распада в конденсированной фазе и, следовательно, автокатализу и увеличению скорости горения. Для топлив с УДП А1 при а = 0,4; 0,5 плотность образцов изменялась от 1,64 до 1,55 г/см3.

Снижение показателя V в законе скорости горения составов с двойным окислителем на УДП А1 (см. табл. 3, рис. 3) можно объяснить тем, что существует некоторое пороговое значение коэффициента избытка окислителя, при котором горению топлива соответствует узкий прогретый слой, высокая скорость и температура горения, достаточная для прохождения активных окислительных реакций вне зависимости от давления. Наличие узкого погретого слоя связано с тем, что частицы УДП А1, сгорая, не успевают передать тепло в конденсированную фазу.

Таблица 2

Эффективность введения УДП А1 в смесевые композиции на основе АР/НМХ

Давление, МПа К

а = 0,3 а = 0,4 а = 0,5

0,10 1,49 1,31 2,10

0,08 1,44 1,25 2,08

0,07 - 1,17 2,68

0,05 1,36 0,90 -

Таблица 3

Константы в законе скорости горения в диапазоне давлений 0,03^0,10 МПа

№ п/п а АСД-4 К УДП А1 К

а V а V

1 0,3 0,73 0,53 0,976 1,08 0,70 0,975

2 0,4 0,98 0,68 0,993 1,316 1,13 0,957

3 0,45 - - - 1,85 0,79 0,979

4 0,5 1,06 0,96 0,993 2,23 0,65 0,909

5 0,55 - - - 2,39 0,59 0,983

№ а АСД-4, 8иСЬ К УДП, 8иСЬ К

а V а V

1 0,5 1,00 0,57 0,964 1,92 0,44 0,992

1,0

0,5

0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 а

Рис. 3. Зависимость показателя V в законе скорости горения от коэффициента избытка окислителя а модельных композиций, содержащих УДП А1

V

Экспериментально определено влияние добавки хлорида олова на скорость горения исследуемых композиций при а = 0,5. Характеристики закона скорости горения представлены в табл. 3. Добавка хлорида олова (ВиС122И20) вводилась в количестве 2% сверх 100%. Введение ВиС12 практически не влияет на скорость горения топлив, содержащих как промышленный алюминий АСД-4, так и УДП А1 при давлениях до 0,08 МПа и снижает скорость горения систем, содержащих УДП А1 при давлении 0,1 МПа. Введение хлорида олова в системы с а = 0,5 снижает показатель V в 1,68 раза для топлив, содержащих АСД-4, и в 1,48 раза для топлив, содержащих УДП А1, по данным дифференциально-термического анализа, т.е. отбирает на себя тепло и этим самым замедляет скорость горения исследуемой композиции.

Согласно [5], пространственное распределение дисперсного окислителя в топливе оказывает влияние на характеристики процесса горения.

Полученные результаты показывают, что для исследованных композиций, содержащих УДП А1, пороговым значением коэффициента избытка окислителя, при котором происходит существенное снижение V, можно считать а > 0,5.

В заключение следует отметить, что замена АСД-4 на УДП А1 приводит к увеличению скорости горения

модельных композиций при субатмосферных давлениях в 1,5 и более раз. По-видимому, это можно объяснить тем, что УДП А1 имеет структуру аэрогеля, обеспечивающую низкую теплопроводность. При горении формируется узкий прогретый слой, скорость тепловыделения в газовую фазу выше, чем теплоотвод в конденсированную фазу, температура воспламенения УДП А1 на 200 К меньше, чем АСД-4, - все это способствует возрастанию скорости горения топлив с УДП А1 по сравнению с АСД-4.

При некотором пороговом значении а возможно снижение показателя V на 40%. Показано, что добавка хлорида олова снижает показатель V в степенном законе скорости горения в 1,68 раза для топлив, содержащих АСД-4, ив 1,48 раза для топлив, содержащих УДП А1 в системах с а = 0,5. Результаты проведенных экспериментов при низких давлениях качественно совпадают с результатами [4, 5], проведенными при давлениях 0,10^8,0 МПа. По результатам данных исследований показана возможность регулирования закона скорости горения, а также расширения области низких давлений, в которой наблюдается устойчивое горение исследуемых систем, содержащих УДП А1, за счет подбора соответствующего коэффициента избытка окислителя а.

ЛИТЕРАТУРА

1. Попенко Е.М., Сергиенко А.В., Соколов Е.В. Разработка селективных модификаторов горения для снижения зависимости скорости горения

ТРТ с нитраминными компонентами от давления // Проблемы энергетических материалов: Сб. тр. Всерос. науч.-технич. конф. «Успехи в специальной химии и химической технологии». М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2005. Ч. 2. С. 84-89.

2. Павловец Г.Я., Мелешко В.Ю., Цуцуран В.И. Влияние нанодисперсных компонентов на баллистические характеристики энергетических кон-

денсированных систем // Проблемы энергетических материалов: Сб. тр. Всерос. науч.-технич. конф. «Успехи в специальной химии и химической технологии». М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2005. Ч. 2. С. 78-83.

3. Глотов О.Г. Конденсированные продукты горения алюминизированных топлив. IV. Влияние природы нитраминов на агломерацию и эффек-

тивность горения алюминия // Физика горения и взрыва. 2006. Т. 42, № 4. С. 78-92.

4. Архипов В.А., Коротких А.Г., Кузнецов В.Т., Савельева Л.А. Влияние дисперсности добавок металлов на скорость горения смесевых компо-

зиций // Химическая физика. 2004. Т. 23, № 9. С. 18-21.

5. Бабук В.А., Гамзов А.В., Глебов А.А., Долотказин И.Н. Структура металлизированных ТРТ и ее роль в процессе горения // Химическая физи-

ка и мезоскопия. 2006. Т. 8, № 1. С. 33-43.

Статья предоставлена НИИ прикладной математики и механики Томского государственного университета, поступила в научную редакцию «Физика» 3 июля 2006 г., принята к печати 10 июля 2006 г.