CC BY
29
УДК 541.12: 532.5
ГОРЕНИЕ БАЛЛИСТИТНЫХ ПОРОХОВ С КАТАЛИЗАТОРАМИ В УСЛОВИЯХ ПЕРЕГРУЗОК
В.А. АРХИПОВ, А.Г. КОРОТКИХ*, Н.С. ТРЕТЬЯКОВ**
ФГНУ НИИ прикладной математики и механики , Томск, Россия *Томский политехнический университет, Томск, Россия **Томский государственный педагогический университет, Томск, Россия
АННОТАЦИЯ. Представлены результаты экспериментального исследования горения баллиститных порохов с катализаторами (окислы металлов) в поле массовых сил до 2000 g. Обнаружен эффект образования в порохе неразгорающихся каналов, ориентированных по направлению вектора перегрузки, для составов с окисью кобальта при перегрузках, превышающих 400 g. Предложен механизм образования каналов.
Конденсированные энергетические материалы, газифицирующиеся при горении (по сложившейся в отечественной литературе терминологии - пороха), широко используются в современной технике. В некоторых случаях, например при разгоне пороховых гироскопов, стабилизации ракет вращением, маневрировании летательных аппаратов на орбите и т. п., горение происходит в условиях воздействия массовых сил [1]. При этом на поверхности горения возникают перегрузки до 2000 g, а при разгоне пороховых гироскопов ускорения превышают нормальное в 50-100 тысяч раз. В связи с этим представляется актуальным исследование горения порохов в поле массовых сил [2-8].
В настоящей работе представлены результаты экспериментального исследования горения в условиях перегрузок пороха Н с катализаторами (окислы металлов), которые используются для регулирования характеристик горения.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Изучение влияния перегрузок, направленных по нормали к поверхности пороха, проводилось на установке для групповых испытаний образцов [9], схема которой приведена на рис. 1. Установка представляет собой модельную полузамкнутую камеру сгорания 1 с устройством для регулирования давления и подачи охлаждающей жидкости 2 и узлом сброса давления в виде сгорающей пробки 3. Камера сгорания выполнена в виде ступенчатого диска, внутри которого на каждой ступени равномерно по окружности распо-
ложены гнезда с исследуемыми образцами 4. Верхняя часть корпуса перекрыта крышкой 5 с центральным сопловым отверстием, в которую с кольцевым зазором вставлен насадок 6. Насадок закреплен на тягах, прикрепленных к корпусу привода центрифуги 7. В толще стенок насадка расположен канал, который соединяет камеру сгорания и гнездо для датчика давления 8. На внутреннем конце насадка, находящемся в камере сгорания, закреплено инициирующее устройство 9. Через газовод 10 насадок сообщается с устройством для регулирования давления и подачи гасящей жидкости 2.
С целью проведения экспериментов по определению влияния перегрузок, направленных от поверхности образца, на параметры горения порохов и других конденсированных веществ в нижней части камеры сгорания размещены вкладные обоймы 11. 12. На внешнюю часть кольцевой обоймы 12 навинчивается полый металлический цилиндр 13, в котором размещается инициатор 14.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
Наличие полого цилиндра позволяет в условиях перегрузок сосредоточить воспламенитель в небольшом объеме и уменьшить, тем самым, поверхность его контакта с металлом. При сгорании инициатора процесс осуществляется более полно и интенсивно. Время выхода на режим сокращается до 0,03 с.
Поджигание образцов высокотемпературным газовым потоком и сокращение времени горения воспламенителя оказывают положительное влияние на одновременность зажигания образцов, а, следовательно, и на погрешность определения скорости горения методом групповых испытаний. Твердые конденсированные остатки сгоревшего воспламенителя остаются в цилиндре 13, не влияя на формирование поверхности горения и кинетику реакций, что позволяет более точно оценить механизм горения конденсированных веществ при перегрузках.
Максимальное количество образцов, размещаемых в камере на пяти уровнях (расстояния от оси вращения - 80, 130, 150, 170, 210 мм) равно 130. Два уровня (80 и 130 мм) образуют вкладные обоймы и предназначены для изучения влияния отрицательных ускорений на процесс горения. Диапазон получаемых перегрузок от - 1300 до + 2100 g при скорости вращения камеры - 3000 об/мин.
Отсутствие скользящих контактов, неподвижное расположение датчика давления, возможность изменения соплового зазора делают установку надежной и простой в эксплуатации. Представленная экспериментальная установка позволяет за одно испытание получить зависимость скорости горения от перегрузки одновременно для нескольких составов.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ
Испытания проводились при давлении в камере сгорания 4 МПа и перегрузках направленных перпендикулярно к поверхности горения вглубь топлива, до 2000 g на модельных составах (порох Н с добавками катализаторов). Были исследованы два состава пороха (С-1 и С-2). Состав С-1 содержал 1 % окиси магния МДО, а состав С-2 - 2 % окиси свинца РЬО и 0,5 % окиси кобальта С02О3. Использовались цилиндрические образцы диаметром 15 мм и длиной 40 мм, бронированные эпоксидным компаундом по боковой поверхности и одному торцу. После гашения исследовалась поверхность погашенных образцов, и по величине сгоревшего свода определялась скорость горения.
После гашения поверхность образцов испытываемых составов имела вид относительно ровной площадки. Образцы С-1, содержащие N^0, были покрыты плавными выемками диаметром до 5 мм и глубиной до 3 мм (рис. 2а). На поверхности образцов С-2, содержащих окись свинца и окись кобальта, наблюдались кратеры диаметром (0,4 1,0) мм и глубиной (0,2 -г- 0,8) мм (рис. 26). В отдельных местах видны были небольшие сажистые наросты неправильной формы размером до 2 мм и высотой до
а б
Рис. 2. Вид поверхности горения образцов после гашения: а - состав С-1; б - состав С-2
1,5 мм. Некоторые наросты имели пористую бархатистую структуру и более темный цвет. Другие наросты были гладкими, слегка блестели, как окалина, и имели вид колпачков.
В центральной части таких колпачков и на линии касания колпачка с поверхностью видны были небольшие отверстия диаметром - 0,5 мм. Эти сажистые каркасы слабо держались на поверхности и легко смывались струей воды. После просушки на местах расположения наростов обнаруживались каналы диаметром (1,0-^0,5) мм, ведущие вглубь топлива (рис. 26).
При дальнейшем исследовании погашенных образцов С-2 оказалось, что каналы имеют извилистую форму. Диаметр канала практически постоянен по всей его длине. Общее направление каналов совпадало с направлением действия массовой силы. Некоторые каналы были глухие, глубиной от 2 мм и более, а некоторые имели выход на противоположном конце образца. Фотографии образцов состава С-2 при поперечном и продольном разрезах представлены на рис. За, 36, соответственно.
В экспериментах время горения варьировалось таким образом, что длина несго-ревшей части образца менялась от 5 до 30 мм. Было замечено, что с увеличением времени горения количество глубоких (более 5 мм) каналов увеличивалось. На подложке, в случае сквозных каналов, и на дне глухих иногда обнаруживался кусочек пористого желтого шлака, сам канал был гладким и свободным от шлака.
Были проведены опыты по выявлению критических значений перегрузок, при которых возникают каналы. При этом оказалось, что глухие каналы глубиной до (3 4) мм появляются уже при перегрузках (200 * 300) g. С ростом ускорения длина каналов резко возрастает и при перегрузках 400 g каналы становятся сквозными (при длине несгоревшей части образца 30 мм). Диаметр каналов практически не зависит от величины действующей перегрузки. Не обнаружено также существенного влияния дав-
Рис. 3. Фотографии образцов состава С-2 после гашения:
а - при поперечном разрезе; б - при продольном разрезе
ления в диапазоне (2-^-15) МПа на характер возникновения и параметры каналов при разных уровнях перегрузок.
Эксперименты при атмосферном давлении и в отсутствие перегрузок показывают, что горение состава С-2 проходит интенсивно и равномерно по всей поверхности с выделением большого количества вылетающих конденсированных частиц. Размер частиц (0,5 2,0) мм, а светимость их сравнима и даже выше яркости пламени. Скорость вылета частиц (2 4- 3) м/с, видимая длина траектории, порядка 3,5 мм. При этом темная зона составляет (2 ^ 3) мм, а толщина конденсированного слоя - 0,5 мм.
Учитывая, что в состав С-2 входит 2 % сильного катализатора РЬО, можно предположить следующий механизм образования каналов. В процессе горения свинец восстанавливается из окиси, и в условиях перегрузок формирует каналы по тепловому механизму [10]. Не исключен также вариант каталитической природы образования каналов за счет взаимодействия окиси свинца, или возникающей связки окиси свинца с углеродом РвО + С (являющейся еще более сильным катализатором) с компонентами топлива.
С целью проверки этих предположений был поставлен ряд экспериментов по выяснению влияния добавок РЬ, РЬО и РЬО + С на формирование поверхности горения. Опыты проводились на образцах диаметром 14 мм и длиной 35 мм. Боковая поверхность и один торец образцов бронировались эпоксидным компаундом. На свободную торцевую поверхность равномерным слоем наносилась конденсированная добавка РЬ, РЬО или РЬО + С (соотношение смеси РЬО + С бралось наиболее эффективное, т.е. 2:1). Для более равномерного воспламенения образца сверху наклеивалась таблетка пороха толщиной 5 мм. Рабочее давление в экспериментах составляло 2 и 6 МПа, а перегрузки до 2000 g. Результаты экспериментов показывают, что во всех случаях конденсирован-
ные добавки формируют на поверхности горения раковины и прогары разной глубины и формы, однако сквозных неразгоревшихся каналов не наблюдалось.
Для выяснения вида конденсированных частиц, ответственных за образование каналов и формирование поверхности горения, были проведены исследования составов твердой фракции продуктов сгорания методом качественного рентгенофазового анализа [11]. На приведенной рентгенограмме для шлаков состава С-2 (рис. 4) четко просматриваются пики, соответствующие металлическому кобальту.'
С целью подтверждения данных рентгенофазового анализа, были проведены дополнительные исследования конденсированных продуктов сгорания состава С-2 на растровом электронном микроскопе РЭМ-200 и микроанализаторе "Комебакс".
На рис. 5 представлены фотографии частиц в продуктах сгорания. На рис. 5а показано наличие в порошках темных и светлых частиц разного размера. На рис. 56 можно рассмотреть структуру частиц. Светлая частица имеет вид сплавленного металлического монолита с острыми кристаллическими образованиями по внешней поверхности. Темная частица представляет пористый сажистый каркас, облепленный отдельными мелкими блестящими капельками.
Исследование порошка на микроанализаторе "Комебакс" показало наличие в порошке большой концентрации кобальта модификации /?-Со.
Рис. 4. Рентгенограмма продуктов сгорания состава С-2
Рис. 5. Фотографии частиц в продуктах сгорания состава С-2: а - увеличение х 35; б - увеличение х 375
Следующий ряд фотографий (рис. 6) удалось получить осуществляя гашение образцов при значениях перегрузок - 400 Разрез образцов вдоль начинающих образовываться каналов показал наличие на дне углублений металлических частиц. Хорошо видна начальная стадия - появление капельки металла на поверхности (рис. 6а). Сле-
а б
Рис. 6. Фотографии начальной стадии формирования каналов:
а - агломерация металла на поверхности; б - формирование канала
дующий кадр показывает начало формирования канала с неразгорающимся входом (рис. 66). Агломерат имеет вид монолитного металлического диска диаметром чуть меньше образующегося канала.
МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ КАНАЛОВ
Известно, что окись свинца в присутствии кислорода, карбида кальция, углерода, окиси углерода при высокой температуре может восстанавливаться до металлического свинца. Однако свинец при температуре горения не только плавится (температура плавления 327,4 °С), но и кипит (температура кипения 1747 °С).
Окись кобальта С02О3 разлагается уже при температуре 886 °С. При этом в присутствии углерода С02О3 восстанавливается, видимо, до С03О4 и по реакции 2Соз04+4С=6Со+4С02 восстанавливается до металлического кобальта. Высокая температура, сопровождающая горение, способствует восстановлению модификации кобальта /?-Со. Существенно, что металлический кобальт имеет высокие температуры плавления и кипения (1492 °С и 2960 °С, соответственно). Отметим, что температура горения состава С-2 около 2072 °С, т.е. при этой температуре кобальт плавится и может агломерировать.
В отсутствие перегрузок восстановленный металл практически не оказывает заметного влияния на формирование поверхности и на процесс горения топлива, образовавшиеся частицы уносятся оттекающим потоком от поверхности горения в газовую фазу. Указанные добавки окислов металлов если и оказывают каталитическое воздействие на процесс горения, то только в низкотемпературной зоне, т.е. на начальной стадии разложения пороха.
В условиях перегрузок образовавшиеся тяжелые частицы удерживаются у поверхности горения. Таким образом, гомогенные топлива с добавками можно рассматривать как металлизированные составы с малым процентным содержанием металла.
В условиях горения при температурах порядка (1800 2100) °С восстановленные частицы свинца не только плавятся, но и кипят, довольно быстро испаряясь, чему способствует также дробление и унос капель оттекающим потоком.
Кобальт плавится, но не кипит, поэтому испарение его происходит менее интенсивно. Расплавленные высокотемпературные частицы кобальта могут агломерировать и, достигнув критического диаметра, вдавливаться перегрузками в поверхность топлива. За счет высокой температуры и повышенного локального давления под агломератом происходит газификация материала пороха. Поскольку газовая прослойка под частицей мала, образующийся газ не успевает полностью прореагировать и создать высокотемпературную зону реакций. Обтекая частицу, газы резко расширяются в образующемся канале, охлаждаясь и "замораживая" процесс горения на стадии продуктов полураспада.
Таким образом, воспламенения стенок каналов не происходит, а постоянно вытекающие из канала продукты сгорания препятствует проскоку пламени в канал.
Судя по тому, что диаметр канала и величина агломерата изменяются по мере продвижения вглубь, молено предположить зависимость их от степени однородности топлива. Очевидно, при движении агломерата имеют место два противоположных процесса: рост агломерата за счет присоединения новых частиц и унос потоком газа раздробившихся и частично вновь образовавшихся на сажистом каркасе мелких капель. При соответствующей концентрации и дисперсности металлообразующего вещества, а также однородности распределения его по объему, движение агломерата вглубь топлива может происходить квазистационарно.
Окись магния М%0 очень устойчивый окисел, температуры плавления и кипения у которого выше температуры горения пороха. Восстановление его, например, углеродом в атмосфере воздуха возможно при температуре 2013 °С. Поскольку чистый магний очень активный металл, возможно, что в процессе горения он восстанавливается с последующим окислением при охлаждении.
Таким образом, экспериментальные исследования доказывают адекватность предложенной физической модели образования сквозных каналов в составе С-2 при горении в поле массовых сил.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Обнаружено, что при горении пороха Н с катализатором РЬО и С02О3 в условиях перегрузок, превышающих 400 g, формируются неразгорающиеся каналы диаметром (0,5 1,0) мм, ориентированные по направлению действия вектора ускорения.
2. Методом качественного рентгенофазового анализа конденсированных продуктов сгорания показано, что при сжигании порохов происходит восстановление окислов входящих в состав топлива элементов.
3. Показано, что по теплофизическим и химическим свойствам ответственными за образование отверстий могут быть восстановленные до металлического состояния частицы /?-Со. Наличие /?-Со в продуктах сгорания подтверждено другими методами.
4. Фотосъемка разрезанных вдоль образовавшихся каналов образцов, погашенных в разные промежутки времени, наглядно показала формирование и развитие неразгорающихся каналов в порохе.
5. На основе анализа физических свойств агломератов предложен механизм беспламенного проникновения под действием перегрузок агломератов /?-Со вглубь образца.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 05-03-32729, 05-08-18237).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Райзберг Б.А., Ерохин Б.Т., Самсонов К.П. Основы теории рабочих процессов в ракетных системах на твердом топливе. - М.: Машиностроение, 1972. - 383 с.
2. Horton J.G. Experimental Evaluation of Solid Propellant Rocket Motors under Acceleration Loads // Journal of Spacecraft and Rockets. 1964. Vol. 1, No. 6. - pp. 673-675.
3. Вилугби П.Г., Кроув C.T., Бейкер K.JI. Исследование горения металлизированных смесевых топлив в условиях перегрузок // Вопросы ракетной техники. 1967. № 7. -С. 28-46.
4. Cowles D., Netzer D. The Effect of Acceleration on Composite Propellant Combustion // Combustion Science and Technology. 1971. Vol. 3. - pp. 215-229.
5. Northam G.B. Effects of the Acceleration Vector on Transient Burning Rate of an Alu-minized Solid Propellants // Journal of Spacecraft and Rockets. 1971. Vol. 8, No. 11. -pp. 1133-1137.
6. Максимов Ю.М., Максимов Э.И., Вилюнов B.H. Влияние перегрузки на горение модельных смесевых металлизированных составов // Физика горения и взрыва. 1974. Т. 10. №6.-С. 169-177.
7. Abraham М., Netzer D. Nonmetallized Solid Propellant Combustion in Standard and High Acceleration Environments // Combustion Science and Technology. 1975. Vol. 11. - pp. 75-83.
8. Glick R.L., Messier R.O. Acceleration Augmented Propellant Deflagration // Rocket Propulsion: Present and Future / The 8th International Workshop on Combustion and Propulsion (8-1WCP): Book of Proceeding. - Pozzuoli, Naples, Italy, 2003. - pp. 1-9.
9. Барсуков В.Д., Третьяков H.C. Экспериментальные установки для исследования скорости горения конденсированных веществ в поле массовых сил //• Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики: Доклады Всероссийской научной конференции. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 1998. - С. 27-28.
10. Кузнецов Г.В., Мамонтов Г.Я., Чугуев Д.Н. Численное моделирование температурных полей системы "частица-подложка" при внедрении частицы в плавящуюся подложку // Физика и химия обработки материалов. 2003. №6. - С. 28-33.
11. Третьяков Н.С. Анализ продуктов горения гомогенных топлив. // Известия Томского политехнического университета, 2002. Т. 305. Вып. 2. - С. 142-147.
SUMMARY. Results of an experimental study of ballistite-type propellants with catalysts (oxides of metals) burning in field of mass forces up to 2000 g are submitted. The effect of formation in propellant of not inflaming channels focused on direction of an overload vector for propellant sample containing cobalt oxide is found out at the overloads exceeding 400 g. The mechanism of channels formation is offered.
