Оценка нестационарности горения пороха при спаде давления

ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛО- И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ, ЭНЕРГЕТИКА

УДК 662

В. Н. Александров, Б. Д. Диновецкий, А. В. Косточко, П. О. Сафронов

ОЦЕНКА НЕСТАЦИОНАРНОСТИ ГОРЕНИЯ ПОРОХА ПРИ СПАДЕ ДАВЛЕНИЯ

Ключевые слова: порох, горение пороха, спад давления, нестационарность горения.

Приведены результаты экспериментальных исследований условий и параметров погасания пороха при спаде давления в области низких (Рн = 12 МПа) и высоких (Рн = 150 МПа) давлений. Показано наличие нестационарного горения пороха при спаде давления в области высоких давлений.

Keywords: gunpowder, powder burning, pressure drop, unsteady combustion.

The results of experimental studies of conditions and parameters of the extinction combustion of gunpowder with pressure drop in region the low- pressure (Рн = 12 MPa) and high- pressure (Рн = 150 MPa) are shown. The presence of unsteady combustion of gunpowder with pressure drop at high pressures shown.

Горение пороха в условиях артиллерийского выстрела происходит при переменных высоких давлениях, вначале при подъеме давления, а затем -при спаде давления. Исследование нестационарности горения пороха в этих условиях представляет интерес для уточнения представлений о процессах, происходящих при выстреле, разработки методов проектирования пороховых метательных зарядов и расчета характеристик артиллерийского выстрела, развития теории нестационарного горения.

Оценке нестационарности горения пороха в условиях артиллерийского выстрела посвящен ряд теоретических работ, результаты которых не позволяют сделать обоснованный вывод о режиме горения пороха при высоких переменных давлениях. По мнению одних авторов /1/ нестационарность горения пороха в этих условиях несущественна и ее можно не учитывать. Авторы других работ /2/ считают горение пороха в условиях артиллерийского выстрела нестационарным.

Экспериментальные исследования нестационарного горения выполнялись при низких давлениях, характерных для ракетных двигателей /3,4/.

Известным проявлением нестационарности горения пороха при спаде давления является его погасание. Погасание пороха в условиях артиллерийского выстрела наблюдалось в полигонной практике /5/. Гашение пороха резким спадом давления используется для изучения механизма горения по-рохов при высоких давлениях /5,6/.

Погасание пороха при спаде давления с высоких начальных уровней давления перед спадом можно рассматривать с двух различных точек зрения:

- погасание как результат перехода горения в стационарном режиме при высоких давлениях в область низких давлений, где горение происходит в нестационарном режиме;

- погасание, как результат нестационарного горения в области высоких давлений.

Если справедлива первая точка зрения, то влияние различных факторов на погасание пороха

при спаде давления в области низких и высоких давлений будет одинаковым, и это будет свидетельствовать о стационарности горения пороха в области высоких давлений. В противном случае горение пороха при спаде давления в области высоких давлений происходит в нестационарном режиме.

Для оценки справедливости высказанных предположений исследовали условия и параметры погасания пороха при спаде давления в области низких (Рн = 12 МПа) и высоких (Рн = 150 МПа) давлений. Эксперимент проводили на установке, в которой параллельно с регистрацией давления осуществлялась скоростная киносъемка горения образца пороха прижатого торцом к смотровому окну. При гашении пороха в области высоких давлений горение пороха происходило вначале при подъеме давления, а затем, после разрушения мембраны, прикрывающей сопло, при спаде давления. Подъем давления осуществлялся за счет сгорания навески дополнительного заряда из пироксилинового пороха. При проведении исследований в области низких давлений горение пороха после воспламенения происходило при практически постоянном давлении, а затем, после разрушения мембраны из сгорающего материала при спаде давления. Истечение продуктов сгорания происходило в буферный баллон, соединенный с атмосферой (Рк ~ 0,1 МПа). Пороховой заряд воспламеняли навеской дымного ружейного пороха ДРП-2. Определяли значение критической скорости спада давления (Р'кр), т.е. минимальное значение, приводящее к погасанию пороха, время погасания (тп) - время от начала спада давления до прекращения изменения размеров образца и давление погасания (Рп) - давление, при котором это происходило. Скорость спада давления в опытах (Р') изменяли в широких пределах - от Р'< Р'кр. до Р'>> Р'кр.

Как следует из результатов исследований (табл. 1) ввод в состав пороха НДТ катализатора горения РЬО не влияет на значение Р'кр. в области высоких давлений и существенно (на 48%) повышает значение Р'кр. в области низких давлений. Ввод в состав пороха ПМН стабилизатора горения ТЮ2

повышает значение Р'кр. (на 13%) в области низких давлений и не влияет на величину Р'кр. в области высоких давлений. Понижение начальной температуры пороха НДТ не оказывает влияния на значение Р'кр в области высоких давлений и существенно (на

в области низких дав-

кр

20%) снижает величину Р'кр. лений.

Таблица 1 - Условия и параметры погасания пороха при спаде давления

Образец Т, °С Рн=150 МПа Рн=12 МПа

PV10"2, МПа/с тп, мс Рп, МПа Р МПа/с тп, мс Рп, МПа

НДТ +20 200 53-8 6,5-48 106 570-50 1,1-2,4

НДТ -50 199,5 - - 84 - -

НДТ+PbO +20 200 46-7,5 6,4-21 158 480-67 0,7-1,7

ПМН +20 100 44-7 18-45 108 605-48 1,5-2,7

ПМН+ТЮ2 +20 100 38-8 - 127 620-41 1,4-2

ПМГ +20 50 40-7,5 11-57 88 350-57 2,3-3,2

ТСП +20 425 22-9 8-20 213 - -

ТСО +20 430 - - 79 - -

Т-9 +20 - - - 380 250-35 0,5-1

РСИ-12К +20 - - - 220 240-40 1,1-1,5

9/7 +20 450 23-8,5 8,5-26 - - -

Н +20 180 40-8,6 17-23,5 - - -

Если причиной погасания пороха в области высоких давлений является нестационарность горения в области низких давлений, то время погасания в этом случае должно включать время стационарного горения в области высоких давлений. Соответственно, время погасания пороха в области высоких давлений должно быть больше. Однако результаты эксперимента показывают, что для всех исследованных порохов время погасания в области высоких давлений существенно меньше (таблица).

Уровень давлений погасания в области высоких давлений (до 57 МПа) существенно выше соответствующих значений в области низких давлений (0,7-0,32 МПа). Остановка горения (временное погасание) зафиксировано в экспериментах при спаде давления до Рк = 50 МПа /7/. Процесс погасания пороха происходит в течение некоторого времени и нестационарность горения, следствием которого является остановка горения, происходит при давлениях больше давления погасания.

Следует отметить, что относительное расположение порохов по величине Р'кр. значительно

отличается в области высоких и низких давлений. Причем, образцы ПМН, ПМГ, НДТ, ТСО имеют близкие значения Р'кр в области низких давлений и существенно отличаются в области высоких давлений. А образцы ТСП и ТСО имеют близкие значения Р'кр. в области высоких давлений и существенно разные в области низких давлений (таблица).

Таким образом, результаты экспериментальных исследований доказывают наличие нестационарного горения пороха при спаде давления в области высоких давлений.

Представляется важным дать оценку границ существования нестационарного горения при спаде давления. В первом приближении, как явно завышенное значение, в качестве скорости спада давления, разделяющей области стационарного и нестационарного горения пороха, можно принять значение Р'кр. Если скорость спада давления в системе (Р') больше критической (Р'>Р'кр), то горение пороха происходит в нестационарном режиме. Как показали результаты экспериментальных исследований, скорость горения пороха при этом будет в два раза меньше по сравнению со случаем, когда Р'<Р'кр /7/.

Литература

1. Cohen Norman.S., Strandd Jeon D. Analytical model of high-pressure burning rates in a transient environment// AJAA Journal. 1980. №8, p. 968-972.

2. D. Е. Kooker, Numerical Joliction of solidpropellant combustion// Trans. ASMF. J. HeatTrans. 1979. №.2. p. 357364.

3. В.Н. Маршаков, Горение и потухание пороха при быстром спаде давления// Физика горения и взрыва. 1967. Т3. №2. С. 231-235.

4. Ю. С. Иващенко, А. С. Комаров, Исследование гашения баллиститных порохов спадом давления// Физика горения и взрыва. 1978. Т.14. №1. С. 151-153.

5. М. Е. Серебряков, Внутренняя баллистика ствольных систем и пороховых ракет// М.: Оборонгиз. 1962. 702 с.

6. Ю. Ф. Христенко Экспериментальные методы исследования горения зерненных порохов в широком диапазоне изменения параметров процесса// Физика горения и взрыва. 2001. Т.37. №1. С. 82-88.

7. В. Н. Александров, Б. Д. Диновецкий, А.В. Косточко, Области существования и характеристики режимов горения пороха при спаде давления// Вестник КТУ, Казань. 2010. №10. С. 104-113.

© В. Н. Александров - канд. техн. наук, доцент каф. химии и технологии высокомолекулярных соединений КНИТУ, labgor@kstu.ru; Б. Д. Диновецкий - д-р техн. наук, профессор той же кафедры, labgor@kstu.ru; А. В. Косточко - д-р техн. наук, зав. каф. химии и технологии высокомолекулярных соединений, labgor@kstu.ru; П. О. Сафронов - канд. техн. наук, доцент той же кафедры, labgor@kstu.ru.

© V. N. Alexandrov - m.p., assistant professor of the department of chemistry and technology of high-molecular compounds, KNRTU, labgor@kstu.ru; B. D. Dinovetsky - Doctor of Technical Sciences, professor of the department of chemistry and technology of high-molecular compounds, KNRTU, labgor@kstu.ru; A. Kostochko - Doctor of Technical Sciences, head of the department of chemistry and technology of high-molecular compounds, KNRTU, labgor@kstu.ru; P. Safronov - m.p., assistant professor of the department of chemistry and technology of high-molecular compounds, KNRTU, labgor@kstu.ru.