Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. - Основные характеристики горения (1043377), страница 50

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 50)

1. Методы исследования

Для количественной оценки процесса горения конденсирован­ных систем используют либо скорость перемещения фронта горе­ния, либо массу топлива, сгорающего в единицу времени с едини­цы поверхности. В первом случае скорость горения и называют линейной и выражают в м/с, во втором — массовой и выражают в кг/(м^2*с). Скорость горения является одной из важнейших ха­рактеристик горения топлива; зависит от давления, начальной тем­пературы топлива, его плотности, энергетических характеристик, природы составных частей топлива и катализаторов горения.

Зависимость скорости горения конденсированных систем от дав­ления определяют опытным путем и выражают формулами, кото­рые получили наименование законов скорости горения. Закон ско­рости горения находят опытным путем для каждого топлива в же­лаемом диапазоне давления.

Кроме абсолютного значения скорости горения, не менее важ­ной характеристикой топлив является зависимость горения от на-.чальной температуры пороха (температурный коэффициент а). Для однородных взрывчатых веществ (жидких и твердых) темпе­ратурный коэффициент обычно (находится в пределах 3*10^-3— 8*10^-3 К^-1 (это означает, что при изменении температуры на один градус скорость изменяется на 0,3—0,8%). Для нитроглицериново­го пороха при температурах выше 40 °С  =14*10^-3 К^-1 [26]. Для американского пороха JPN в. интервале 20—60°С = (4÷ 5)10^-3 К^-1 [27]. Ниже приведены баллистические свойства типичных ра­кетных топлив:

Методы расчёта и измерения удельного импульса изложены в работах [28—31].

При исследовании механизма горения конденсированных сис­тем необходимо экспериментальное изучение следующих физико-химических параметров: размеры зон в волне горения, структура и температура поверхности горения, эмиссионный спектр излуче­ния, состав продуктов горения, распределение температуры по вы­соте пламени. Для исследования формы пламени и размеров зон в волне горения часто используют метод фотографирования. При­менение различных фотокамер, а также фотоматериала различной спектральной характеристики позволило производить фотосъемку пламени в различных временных я спектральных интервалах.

Широко распространенным методом измерения температуры по­верхности горения является термопарный метод [8, 32, 33]. В ра­боте [34] описаны новые экспериментальные подходы к измере­нию температуры поверхности горения топлив. Для измерения тем­пературы продуктов горения и получения необходимой информации о спектре излучения пламени были разработаны и применены спект­рально-фотографический и фотоэлектрический методы [34]. Соот­ветствующее расположение образца топлива и ртутной лампы, а также применение механической протяжки фотоматериала в фо­кальной плоскости спектрографа позволило получить данные по изменению относительной интенсивности спектральных линий про­дуктов излучения по высоте пламени [35]. В работе [36] разра­ботана установка (сканирующий монохроматор) для исследования спектра излучения продуктов горения конденсированных систем в диапазоне 0,5—8 мкм. Исследованию электрических свойств пла­мени конденсированных систем в широком диапазоне давлений по­священы работы [37, 38]. Авторы на основе зондового метода разработали методику, позволяющую определять концентрацию электронов, ионов, температуру электронов и скорость новообра­зования по высоте пламени конденсированных систем.

2. Оптические и температурные характеристики зон горения

Характерной особенностью горения баллиcтитных порохов яв­ляется многостадийный характер превращения исходного вещества в конечные продукты сгорания. Под зоной прогрева пороха подра­зумевается слой заряда, в котором происходит повышение темпе­ратуры от начальной Т₀ до температуры разложения вещества T_p (в этой зоне отсутствуют химические реакции). Следующей зоной является зона разложения вещества в конденсированной фазе. Известно [8], что за счет подвода тепла из зоны пламени и тепла, выделяющегося в процессе разложения нитратов целлюлозы и нитроглицерина, в процессе горения образуется жидковязкий слой. Толщина этого слоя по различным оценкам составляет 10÷ 80 мкм [39].

Фотографическое изучение процесса горения баллиститных по­рохов показывает, что в интервале давлений 0,5—10 МПа в пла­мени между поверхностью горения и зоной максимальной темпера­туры (яркосветящаяся часть пламени) расположена «темная» зона.

Структура и температура поверхности горения

Авторы работы [9] сфотографировали поверхность потушенного нитроглицеринового пороха при давлении выше атмосферного; на фотографиях отчетливо видны застывшие пузырьки. На поверхно­сти горящего пироксилинового пороха в вакууме визуально жид­кий слой не наблюдался, но наблюдения под микроскопом поту­шенного пороха показали, что она также сплошь пронизана за­стывшими пузырьками. Авторы предположили, что реакционный слой конденсированной фазы пироксилинового пороха в процессе горения находится в размягченном полужидком агрегатном со­стоянии.

Для того чтобы ответить на вопрос, какова поверхность горе­ния баллиститных порохов в процессе горения, каков ее рельеф, как влияет давление на структуру поверхности, было проведено экспериментальное исследование поверхности горения спектрально-фотографическим методом. На рис. V.1 приведены фотографии поверхности горения, полученные для пороха Н [40]. Видно, что профиль поверхности образца пороха в процессе горения не явля­ется гладким. Горящая поверхность представляет собой быстро­меняющуюся вспененную пузырьками разов сильно размягченную часть образца топлива. Повышение давления приводит к некоторо­му выравниванию профиля поверхности горения. Кроме того, по верхность

Рис. V.I. Фотографии горящей поверхности образца пороха Н при различных

давлениях.

горения неоднородна по яркости: на ней наблюдаются яркосветящиеся включения (агломераты частиц углерода), причем их размер уменьшается с повышением давления.

Неровный профиль поверхности горения обычно связывают с различием в физико-химических свойствах компонентов пороха, что, в свою очередь, приводит к неравномерному выгоранию топ­лива.

Рис. V.2. Зависимость температуры поверхности горения порохов от давления:

/ — порох К; 2 -порох Н/[8]; 3 —порох Н оптический метод [42]; 4 — нитроклетчатка.

Температура поверхности горения баллиститных топлив была впервые оценена в работе [41] по количеству запасенного тепла в конденсированной фазе и оказалась равной 630+45 К, а для нитроцеллюлозы 552 ±28 К. В работе [9] описан метод измерения температуры поверхности горения с помощью прямолинейной медь-константановой термопары и грузиков, которые обеспечивали в процессе эксперимента плотный контакт термоспая с поверхно­стью пороха.

Для измерения температуры поверхности пороха в работе [42] был разработан оптический метод, позволяющий оценивать не ло­кальную температуру поверхности горения, а усредненную по се­чению. На рис. V.2 приведены экспериментальные данные измере­ния температуры поверхности пороха Н, К и нитроклетчатки; по­лученные оптическим методом, в сравнении с данными работы [8], полученными термопарным методом. Температура поверхности об­разца топлива плавно возрастает с увеличением окружающего давления и зависит от природы топлива.

Прозрачность пламени

Фотографирование дает определенное представление о стадий­ности протекания химических ре­акций по зонам пламени (отрыв частиц от поверхности горения, зоны разной светимости по высо­те пламени и т. д.). К поверхно­сти заряда пороха примыкает не­светящаяся, или «темная», зона. В интервале 1,5—6 МПа с ростом давления ширина темной зоны значительно уменьшается [40]. При. более высоких давлениях оценить размер темной зоны при помощи фотографического мето­да не удается, поскольку ярко светящаяся зона пламени близко располагается к поверхности го­рения.

Рис. V.3. Изменение температуры

и поглощательной способности

 Т по высоте пламени h пороха

Н в зависимости от давления:

1 — Р=2,25 МПа; 2 — Р=5,55 МПа.

Более Полную информацию о стадийности физико-химических превращений в пламени (переход твердой фазы в газообразные и конденсированные продукты горения) дает изучение изменения прозрачности (поглощательной способности) по высоте пламени (расстоянию от поверхности го­рения) [43]. Поглощательную способность оценивали с помощью просвечивания пламени источником излучения в определенных спектральных интервалах, где отсутствуют интенсивные линии из­лучения продуктов горения: 405, 495, 670 и 771 нм.

По изменению поглощательной способности (измерения прово­дились при 1,0—6,0 МПа) пламя можно разбить на три отчетливо выраженные зоны. Рис(V.3).Первая зона находится между поверхностью образца и плоскостью, где величина, характеризующая поглощательную способность, принимает минимальное значение Третья зона — зона максимальной температуры пламени, где поглощательная способность принимает определенное максимальное значение. Между первой и третьей зонами располагается вторая зона, характеризующаяся плавным уменьшением прозрачности пламени.

Как уже отмечалось, в результате сложных физико-химических процессов, протекающих в реакционном слое конденсированной фазы, происходит диспергирование определенной массы пороха [8]. В результате диспергирования вблизи .поверхности горения по­является аэрозольная (дымогазовая) зона, где степень поглоще­ния излучения от внешнего источника значительная. Считают, что в этой зоне протекают гетерогенно-гомогенные реакции, которые приводят к уменьшению концентрации диспергированных частии по мере удаления от поверхности. Предполагая, что наблюдаемое изменение поглощательной способности у поверхности горения свя­зано с процессом выгорания диспергируемых частиц, можно оце­нить их зону существования по положению минимума поглоща­тельной способности по высоте пламени. Ниже приведены размеры зон выгорания диспергируемых частиц для пороха Н и пирокси­лина, а также расчетные значения (в скобках) [13]:

Во второй зоне увеличиваются как температура по высоте пла­мени, так и количество частиц сажи, что приводит к увеличению поглощательной способности (рис. V.3). Эксперименты по отбору конденсированных продуктов по высоте пламени показали сущест­вование во второй и третьей зонах сажистых частиц, что согласу­ется с данными по измерению прозрачности пламени.

Температура пламени

Авторы работ [10, 40] сжигали цилиндрический бронирован­ный с поверхности пороховой образец в бомбе постоянного давле­ния в атмосфере азота. Нормальное (торцевое) горение характеризовалось постоянными скоростями переноса массы и энергии через реакционную зону и постоянными во времени градиентами концентрации и температуры.

Спектрально-оптические исследования пламен конденсирован­ных систем при горении в условиях бомбы постоянного давления показали, что заметное разбавление и охлаждение продуктов горе­ния пламени турбулентным пограничным потоком происходит на расстояниях от поверхности горения, значительно превосходящих зону измерений [40]. Известно, что на процесс горения пороха оказывают влияние тепловые потери в окружающую среду. Причем чем меньше диаметр образца, а следовательно, и размеры пламе­ни, тем больше относительные потери и тем сильнее влияние теп­ловых потерь на процесс горения.

Из данных по измерению температуры пламени в зависимости от диаметра, приведенных на рис. V.4, следует, что максимальная температура пламени зависит от диаметра образца топлива d; су­ществует размер d_пред, начиная с которого температура пламени остается постоянной. Исследования проводились при условии d> d_пред

Характеристики

Список файлов книги