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

Текст из файла (страница 54)

Известно [68], что активное участие в реакции окисления алю­миния принимают Н₂О, СО₂, СО, которые присутствуют в пламени в значительном количестве. Энергии диссоциации для них состав­ляют: Н₂О —499 кДж/моль (119,2 ккал/моль); СО₂—532,6 кДж/моль (127,2 ккал/моль); СО—1075,6 кДж/моль (256,9 ккал/моль). Поэтому при одинаковом порядке величин концентра­ции указанных реагентов в пламени процесс окисления алюминия в первую очередь должен идти за счет его взаимодействия с Н₂О и СО₂. Экспериментально наблюдаемое увеличение интенсивности линии Н₂ (629,9 нм) в 3,2 раза при .горении пороха Н+9% А1 по сравнению с интенсивностью этой линии при горении пороха Н можно объяснить химической реакцией взаимодействия алюминия с парами воды: Al + H₂O ↔Al₂O₃+H₂. В случае горения пороха Н+9% А1 отбор продуктов сгорания из бомбы постоянного давле­ния и последующий анализ ИК-спектра поглощения показал уве­личение концентрации СО (2,4 мкм) на 45% по сравнению с кон­центрацией СО при горении пороха Н. Увеличение концентрации СО, по-видимому, обусловлено реакцией окисления

§ 2. ГОРЕНИЕ СМЕСЕВОГО ТОПЛИВА

Смесевые твердые топлива в отличие от нитроцеллюлозного по­роха являются смесями окислителей и горюче-связующих ве­ществ. В качестве окислителей используют соли минеральных кис­лот, которые при термическом разложении выделяют свободный кислород. Количество свободного кислорода является ,важной ха­рактеристикой, так как определяет не только энергетические пара­метры топлив, но и указывает да возможность изготовления топ-лив с данным горюче-связующим веществом. Такими окислителя­ми являются перхлораты аммония и калия, нитраты аммония и ка­лия и др. В качестве окислителей можно также использовать и перхлораты нитронила, нитрозила, гидроксиламина [69], стабили­зированного диперхлората гидразония, перхлората полиэтиленгидразина [70], перхлората фтора [71], фтораммониевые соли [72].

В качестве горюче-связующих веществ в смесевых топливах применяют высокомолекулярные соединения — Полимеры. С энер­гетических позиций горюче-связующие вещества должны содер­жать максимальное количество водорода, иметь небольшую теп­лоту образования и высокую плотность. Определенный интерес представляют и горючие связки, содержащие кислород, так как они позволяют вводить в состав топлива близкое к оптимальному количество окислителя.

В работе [73] приведены основные типы полимеров, используе­мых в твердых топливах в качестве горюче-связующего материала. Смесевое топливо обычно содержит окислителя 60—80%, горю­че-связующего вещества 25—15% (масс.), металлические добавки, катализаторы, ингибиторы и другие вещества.

Как процесс горения баллиститных порохов, так и горение сме­севых топлив является многостадийным. В настоящее время в опубликованных работах есть разные точки зрения на некоторые вопросы механизма горения смесевых топлив. Принципиальные различия состоят прежде всего а различной оценке роли реакций с тепловыделением в конденсированной и газовой фазах и также роли режимов в зоне реакций, обусловливающих горение (диффу­зионный, кинетический). Авторы работ [39, 74] считают, что горение смесевых топлив определяется в основном реакциями, проте­кающими в газовой фазе с преобладанием кинетического или диф­фузионного режима горения, в зависимости от состава топлива и условий горения. Часть исследователей на основании анализа по­лученных экспериментальных данных считает, что определяющи­ми в процессе горения смесевых топлив являются ,реакции в кон­денсированной фазе [40, 75—77]. В работе [78] развивается ги­потеза об определяющей роли гетерогенных реакций в приповерх­ностном слое горящего топлива.

При построении моделей горения смесевых топлив исследова­тели в общем виде предполагают следующие стадии процесса: пи­ролиз (газификация) горюче-связующего вещества; разложение (газификация) окислителя; взаимодействие газообразных продук­тов распада окислителя и горюче-связующего вещества. Однако характер и очередность распада окислителя и горюче-связующего вещества трактуются по-разному. Авторы работ [79, 80] считают, что горение смесевых составов на основе перхлората аммония (ПХА) контролируется процессом разложения и горения перхло­рата. Они предлагают следующую схему процесса: 1) термическое разложение ПХА на газообразные аммиак и хлорную кислоту;

1. экзотермическая окислительно-восстановительяая реакция меж­ду NH₃ и НСlO₄, идущая с образованием пламени вблизи поверх­
   ности частиц ПХА (первичного пламени, или «теплового слоя»);

2. пиролиз горюче-связующего вещества; 4) экзотермические реак­ции между газообразными продуктами пиролиза горюче-связующе­го материала и продуктами горения перхлората, протекающие с
   образованием диффузионного пламени. В рассмотренной схеме го­рения образование первичного пламени («теплового слоя») опреде­ляет скорость горения смесевого топлива.

Другой подход к пониманию процесса горения смесевых топлив имеет место в работе [74]. По мнению авторов, вначале в конден­сированной фазе происходит термическое разложение и испарение горюче-связующего материала, в результате которого обнажают­ся кристаллы окислителя. Последние, попадая в близлежащую зо­ну нагретых газов, достигают температуры, необходимой для их разложения. В этом случае разлагающиеся кристаллы окислителя окружены как продуктами собственного распада, так и продукта­ми разложения горюче-связующего материала; взаимодействуя, они образуют пламя.

В модели «гранулярно-диффузионного» пламени cаммерфильда [81] основное внимание уделяется скорости химической реак­ции между горючим и окислителем в газовой фазе. Подповерх­ностные и гетерофазные поверхностные реакции между горючим и окислителем (или продуктами его разложения) исключены; един­ственными процессами, идущими в конденсированной фазе и имею­щими какое-либо значение, считаются сублимация (или пиролиз) окислителя и горючего. Предполагается также, что пары горючего образуются в виде «карманов», средняя масса которых не зависит от давления. Пары горючего расходуются затем со скоростью, ко­торая контролируется диффузионным смешением и химической ре­акцией.

По модели Германса [82], массовая скорость горения опреде­ляется тремя потоками, оттекающими с единицы поверхности: по­током продуктов разложения окислителя, потоком продуктов раз­ложения связующего вещества и потоком продуктов, образующих­ся в результате реакций взаимодействия газообразных продуктов разложения окислителя с поверхностью еще не разложившейся связки. Из параметров, характеризующих свойства исходных ком­понентов и топлива в целом, наибольшее влияние на уровень ско­рости горения оказывает температура поверхности и эффективная энергия активации реакций взаимодействия продуктов распада окислителя со связующим веществом.

В работе [83, 84] было высказано предположение, что на ско­рость горения смесевых топлив влияет не вся область превращения исходной смеси в конечные продукты сгорания, а только неко­торая часть этой области, «зона влияния», примыкающая к поверх­ности. Характер смешения продуктов разложения окислителя и горюче-связующего вещества, последовательность стадий и режим горения определяются размерами частиц ПХА. По мере увеличе­ния размеров кристаллов окислителя все большее значение при­обретает конвективное перемешивание продуктов газификации компонентов. Влияние диффузионных факторов на скорость горе­ния смесевых топлив проявляется в зависимости последней от дис­персности окислителя [85]. Влияние кинетических факторов на скорость горения смесевых систем находит отражение в зависимости скорости горения от стехиометрического коэффициента смеси α_ст [83, 84].

Вопрос о связи скорости горения смесевого топлива с химиче­ским строением горючего был изучен в работе [88]. В качестве горючего были исследованы такие классы органических соедине­ний, как одноосновные ненасыщенные кислоты, ненасыщенные жирные кислоты, ароматические углеводороды, амины, нитроамины и т. д. Авторы пришли к выводу, что скорость горения смесевых топлив не зависит от калорийности состава, а определяется проч­ностью слабейшей связи в молекуле горючего. Влияние физико-химических свойств горючего и окислителя на характер зависимо­сти скорости горения смесевого топлива рассмотрено в работе [89].

Авторы работы [90] считают, что экзотермические твердофаз­ные реакции обычно сопровождаются значительным диспергиро­ванием вещества и оно оказывает контролирующее влияние на скорость горения. При микроскопическом исследовании металличе­ской пластины после ее пребывания в пламени смесевого топлива были обнаружены прилипшие частицы и узоры кристаллов. Этот факт, по мнению авторов, служит доказательством одновременного протекания процессов сублимации и термического разложения, причем последний приводит к диспергированию мелких частиц ПХА, попадающих в пламя [91].

При проектировании ракетных двигателей на твердом топливе широко используется эмпирическое соотношение, связывающее скорость горения с давлением: u=aP^v. Как известно, при устой­чивом горении топлива в условиях ракетного двигателя показатель степени ν<1.Для различных классов двигателей требуются топ­лива с различными значениями ν. Если для регулируемых дви­гателей этот показатель, как правило, должен быть высоким (близким к единице), то для нерегулируемых двигателей — как можно более низким. Известно несколько способов изменения по­казателя степени. На него могут влиять состав окислителя, размер частиц окислителя и горючего в смеси, природа связующего ве­щества и содержание в топливе металла.

Анализ комплексного влияния различных компонентов топлива на скорость горения проделан авторами работы [92]. Они иссле­довали в бомбе постоянного давления скорости горения смесевого топлива в зависимости от размера частиц окислителя (ПХА), при­роды связующего вещества, содержания алюминия, а также при­сутствия катализаторов и ингибитора. Установлено, что для топли­ва на основе полибутадиена с концевыми карбоксильными группа­ми в отсутствие алюминия при использовании мелкодисперсного ПХА скорость горения без катализатора достигает 26 мм/с. Крупнодисперсный ПХА

Таблица V.3. Влияние состава топлива и размера частиц окислителя на скорость горения

(d=100 мкм) снижает скорость горения до 8,5 мм/с. Дальнейшее увеличение размеров частиц ПХА не приво­дит к изменению скорости горения (табл. V.3).

Анализ современных теоретических моделей и эксперименталь­ных результатов показывает, что при изучении механизма горения смесевых топлив необходимо учитывать процессы смешения окис­лителя и горючего, возможность осуществления кинетического и диффузионного режимов в зоне химической реакции, существова­ние режимов контактного горения, зависимость скорости горения от дисперсности компонентов, соотношения окислитель—горючее и химической природы самого горючего, нестационарность процес­сов тепло- и массопереноса в зонах горения, неодномерность струк­туры зон горения.

1. Оптические и температурные характеристики зон горения

Структура и .температура поверхности горения

Смесевые топлива имеют неупорядоченную неоднородную структуру и состоят из кристаллов окислителя, промежутки меж­ду которыми заполнены горючим. Важным аспектом горения яв­ляется состояние и структура горящей поверхности. В настоящее время выполнен ряд работ по исследованию структуры поверхно­сти горения смесевых топлив.

Фотографирование процесса горения смесевых топлив, выпол­ненное авторами работы [74], отчетливо свидетельствует о неодно­мерности поверхности конденсированной фазы. Поверхность го­рения имеет ячеистую структуру с впадинами и выступами, что обусловлено гетерогенностью системы и неодновременным разло­жением компонентов топлива. При этом, по мнению некоторых ав­торов, в зависимости от условий может наблюдаться образование выступов из окислителя или горюче-связующего материала. В ра­боте [93] отмечается, что при высоких давлениях и высоких ско­ростях горения кристаллы перхлората образуют на поверхности впадины, а прослойки горюче-связующего вещества — выступы. При низких давлениях и низких скоростях горения эта разница сглаживается или кристаллы окислителя начинают образовывать выступы. Для установления возможного взаимодействия газооб­разных продуктов разложения окислителя и горюче-связующего вещества в конденсированной фазе были сделаны попытки опре­делить состояние горящей поверхности: остается ли она «сухой> или компоненты топлива находятся в расплавленном состоянии.

Характеристики

Список файлов книги