Сарнер С. Химия ракетных топлив (1241536), страница 77
Текст из файла (страница 77)
ь ь 6 25 25 55 55 чр 55 55 энереил антираиии теомичеенаеа раэлаженил, клал/мела Ф иг. !03 Соотношение между скоростями горения твердых ракетных топ- лив и энергиями активации термического разложения окислителей. окислителя. На фиг. !0.3 приводится график, иллюстрирующий хорошее соотношение между скоростями горения и энергиями активации разложения в случае углеводородного горючего-связующего. Из фиг. !0.3 следует, что топлива на основе перхлоратов металлов не подчиняются общей закономерности: их скорости горения значительно превышают ожидаемую величину.
Также известно, что показатели степени в уравнении скорости горения топлив на основе этих окислителей больше по величине, чем в случае топлив на основе окислителей, не содержащих металлов. Можно надеяться на соответствие с ожидаемыми результатами при низких давлениях, однако прн высоких давлениях, Здз ю. внктгвнняя вхллистикх двигхтелвп тввгдого топливл когда зона пламени приближается к поверхности топлива, большое тепловыделение в случае металлосодержащих окислителей вызывает усиление теплоотдачи к поверхности, что приводит к необычно высоким скоростям горения. Для лучшего понимания этих явлений требуются дополнительные исследования. !0.10.
ТЕРМИЧЕСКОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ ГОРЮЧЕГО-СВЯЗУЮ1ЦЕГО СМЕСЕВЫХ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ Низкотемпературная реакция с малой энергией активации, происходящая между перхлоратом калия и сажей [65], свидетельствует о том, что горючее-связующее может оказывать радикальное влияние на характер разложения окислителя и, следовательно, на скорость горения. Горючее-связующее образует матрицу, удерживающую частицы окислителя и любые высокоэнергетические добавки горючего.
Для обеспечения устойчивого горения матрица должна разлагаться, чтобы освободить частицы окислителя. Горючие-связующие, которые с трудом поддаются пиролизу, замедляют скорость горения из-за уменьшения эффективной концентрации окислителя. Легко разлагающиеся горючие-связующие увеличивают концентрацию окислителя и скорость горения. Наконец, те горючие-связующие, которые разлагаются при низких температурах с выделением тепла, приводят к увеличению температуры поверхности и скорости разложения окислителя. В табл. 10.2 указаны температуры разложения некоторых горючих-связующих, полученные методом дифференциального термического анализа [4), и скорости горения топлив, содержащих перхлорат аммония и эти горючие-связующие.
При уменьшении температуры разложения скорость горения увеличивается. О влиянии экзотермической реакции разложения с большим выделением тепла можно судить по аномальным результатам, полученным при применении 11 — Н-горючего-связующего, однако эти данные не совсем надежны. Можно полагать, что дальнейшие исследования в этой области дадут возможность получить соотношение между типом горючего-связующего и скоростью горения, подобное тому, которое рассматривалось в предыдущем разделе для различных окислителей.
Дифференциальный термический анализ органических веществ вполне возможен, хотя это не столь простой метод исследования, как для неорганических соединений. Андерсон и Фримен [3] показали, что этот метод дает воспроизводимые результаты, и приводят данные для эпоксидной смолы (ЕК1. 2795) и 32 ненасыщенных сополимерных систем эфир — стирол. Они ю.
ВнутРенняя БАллистикА дВиГАтелеи тВердОГО тОплиВА 399 также опубликовали данные по кинетике сополимера эфир— стирол [5], для полистирола и полиэтилена [76]. Мэрфи и др. [60] привели данные для каучука «Ъ'!ЬГ!и» 135, а Шульц и Деккер [77] — для полнметилметакрилата. Андерсон [2] исследовал тефлон в диапазоне температур 450 — 550'С и определил энергию активации 75 ккал(моль. Таблица 70.2 Влияние горючего-связующего на скорость горения Скорость горення таплкв ма основе НН,СЮ, прн лавлейня 70 ага, мм7сск Температура разложенн», 'С Горючее-связующее 5,6 7,6 Полиуретан Сополнмер бутаднена н акрнловой кислоты Полнсульфнд Ннтронеллюлоза Силикон ЬР— Н-Горючее-связую- щее 12,7 16,5 18,3 )25 150 90 75') 100 — 200 77 П Р!спаренна.
П Экзотермнческая реакция с очень большим вмяеленкем тепла. 10.11. ВЛИЯНИЕ СОСТАВА НА СКОРОСТЬ ГОРЕНИЯ (10.45) Показано, что добавка металлических порошков или содержащих металл соединений не оказывает существенного влияния ни на механизм горения, определяющий скорость горения, ни на скорость горения [61]. Размеры частиц металлических порошков также оказывают слабое влияние, так как, за исключением сверх- тонких порошков, воспламенение и горение металлов происходит в потоке газа [91].
Однако количество и размеры частиц металла оказывают влияние на эффективность горения. Поскольку частица металла горит в твердом или жидком состоянии [23, 30, 32, 87, 91], размер частицы должен оказывать существенное влияние на эффективность, но не на скорость горения. Ито [43, 44] получил уравнения, характеризующие влияние количества и размера частиц окислителя в смесях асфальта с перхлоратом аммония на скорость горения. С учетом влияния размера частиц окислителя он получил уравнение г = 0,0059 Л4 + 0,50 мм/сеь, 400 Ю ВНУТРЕННЯЯ БАЛЛИСТИКА ДВИГАТЕЛЕП ТВЕРДОГО ТОПЛИВА где М вЂ” номер размера ячейки сита, через которое просеивались частицы окислителя (по классификации Тайлера).
С учетом ве- сового содержания окислителя уравнение скорости горения имеет вид г= 0,11%' — 7,16 кя|сек, (10.46) 10.12. МЕХАНИЗМ ГОРЕНИЯ СМЕСЕВЪ|Х ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ Основное предположение, примененное к смесевым твердым топливам, состоит в том, что скорости разложения горючего-связующего и окислителя определяются уравнениями г = — Ае г / ео|лг~о о (10.4?) (10.48) и что эти скорости приблизительно равны. Поскольку энергии активации и предэкспоненциальные коэффициенты в выражениях скоростей разложения горючего и окислителя не равны между собой, то температуры поверхностей также не должны быть равны. На этом утверждении основан «двухтемпературный постулат» теории горения смессвых топлив. где )Р— весовое содержание перхлората аммония в смеси в процентах.
По-видимому, тангенс угла наклона линии, характеризующей изменения состава, очень велик, но соотношение между скоростью горения и размерами частиц окислителя приблизительно правильно. Согласно обеим зависимостям, изменение скорости горения в пределах практических изменений состава и размера частиц мало. Подобные результаты были получены Смитом [82], а для смесей перхлората калия с асфальтом — Хаггетом [42].
Саммерфилд и др. [86] также обнаружили изменения скорости горения в зависимости от состава и размеров частиц окислителя. В их работе приводятся значения констант уравнения (10.6) для топлив на основе перхлората аммония с различными горючими-связующими, Они установили, что скорость горения увеличивается с уменьшением размера частиц и с увеличением температуры газов в камере сгорания. Применение катализаторов термического разложения окислителей вызывает изменение скорости горения такого же порядка, как и изменение состава топлива или размеров частиц. Саммерфилд и др.
[86] и фридман и др. [25] приводят данные для нескольких катализаторов. Рл ВНУТРЕННЯЯ БАЛЛИСТИКА ДВИГАТЕЛЕЙ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА 4О1 Простейший метод исследования, основанный на этой точке зрения, состоит в предположении, что механизм горения определяется термическим разложением горючего-связующего и окислителя. Таким способом был выполнен полуколичественный эмпирический анализ, приведенный в разд. 10.9 и 10.10. Возможен более строгий аналитический способ исследования, который дал удовлетворительные результаты для топлив на основе нитрата аммония и до некоторой степени для топлив на основе перхлората аммония [Зб].
Предполагается, что разложение горючего и окислителя полностью определяется теплообменом между поверхностями этих двух компонентов и продуктами разложения окислителя. Если эти поверхности находятся в одной плоскости, то температуры равны и окислитель разлагается быстрее. Следовательно, горючее будет выступать в зону более высоких температур и скорость его разложения увеличится; при этом наблюдается стремление к совмещению поверхностей горения горючего и окислителя в одной плоскости.
В результате этого скорость разложения горючего равна скорости разложения окислителя. Температура разложения нитрата аммония равна 1250'К, а перхлората аммония — 1430'К. Таким образом, перхлорат аммония обеспечивает ббльшие скорости горения. Если в качестве окислителя использован нитрат аммония, то при скорости горения 2,5 мм/оек температура поверхности окислителя будет равна 9!О' К, а температура поверхности горючего — 580' К.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
