CC BY
2
Челябинский физико-математический журнал. 2024■ Т. 9, вып. 2. С. 195-202.
УДК 536.46 Б01: 10.47475/2500-0101-2024-9-2-195-202
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ
ДОБАВОК-МОДИФИКАТОРОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ГОРЕНИЯ СМЕСЕВОГО ТОПЛИВА С АЛЮМИНИЕМ
Н. С. Белоусова1'2'", О. Г. Глотов12, А. В. Гуськов1
1 Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск, Россия 2Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН, Новосибирск, Россия " [email protected]
Исследовано влияние добавок-модификаторов Х1Б2, AlMgBl4, (МИ4)2Т1Рб, МИ4БЕ4, Caз(Р04)2 на параметры горения смесевого топлива на основе порошкообразного алюминия в качестве горючего (около 20 %), перхлората аммония в качестве окислителя (около 60 % по массе) и активного связующего (МПВТ около 20 %). В результате исследования было выявлено влияние добавок на скорость горения топлива, безразмерную массу и размер агломератов.
Ключевые слова: смесевое топливо, алюминий, добавки, диборид титана, алюминий-магний борид, тетрафтороборат аммония, аммоний-титан фтористый, кальций фосфорнокислый 3-замещённый, скорость горения, агломерация, конденсированные продукты горения, гранулометрический состав.
Введение
Предпосылкой использования металла в качестве горючего компонента ракетного топлива служит весьма высокая (более 2 ккал/г) теплота сгорания таких элементов, как бериллий, литий, магний, алюминий, бор [1]. Из перечисленных элементов в традиционных смесевых ракетных топливах наиболее широкое распространение получил алюминий вследствие удачного сочетания таких качеств, как высокая теплота сгорания и плотность, безопасность обращения с порошком, безвредность продуктов горения, коммерческая доступность. Однако для алюминия характерно явление агломерации [2], которое заключается в объединении и слиянии исходных частиц в волне горения в агломераты. Агломерация обычно приводит к нежелательным последствиям — снижению полноты сгорания металла, накоплению шлаков в камере двигателя и другим. Поэтому поиск путей снижения агломерации является предметом множества экспериментальных исследований, в том числе и настоящей работы. Известны основные факторы, которые влияют на агломерацию алюминия в топливах на основе перхлората аммония (ПХА). Рецептурные факторы — содержание алюминия [3], гранулометрический состав компонентов [3], природа связующего [4], присутствие нитраминов [5], нитрата аммония [6] или иных альтернативных окислителей [7]. Перспективные пути воздействия на поведение металла в волне горения, в том числе на агломерацию, — (1) модификация свойств металла в объёме (введение второго металла [8]; создание композитных частиц [9]), или (2) модификация поверхности частицы (нанесение полимерных, металлических или иных покрытий [9]), или (3) введение добавок в состав топлива [7; 10]. Целью
данной работы является экспериментальная оценка влияния пяти добавок в топливо на агломерацию алюминия в рецептуре с ПХА и активным связующим.
1. Исследуемые топлива и добавки
Для экспериментов использовали модельную смесь топлива, которое имело пастообразную консистенцию и состояло из следующих основных компонентов: 20 % связующее (Св.), в качестве активного горючего-связующего использовался метилполивинил-тетразольный полимер, пластифицированный нитроэфирно-нитраминным пластификатором (МПВТ АСП) [7]; 20 % алюминий типа АСД-4 (А1); 60 % перхлорат аммония (ПХА) крупный (500-630 мкм). В табл. 1 приведены средние размеры Дю, А20, Азо, А32, А.43, А53.
Таблица 1
Средние размеры частиц компонентов топлив (в мкм)
Обозначение ^20 ^21 Взо В 32 В 43 В 53
ПХА 500-630 мкм 712 718 723 723 734 746 752
Алюминий 4.2 4.8 5.4 5.8 8.7 15 18.3
Следуя [11], добавки-модификаторы вводили в базовое топливо в количестве около 2 % (сверх 100 % ). Добавки: диборид титана Т1В2, алюминий-магний борид А1М^В14, аммоний-титан (IV) фтористый (КН4)2Т1Рб, тетрафтороборат аммония КН4ВР4, кальций фосфорнокислый 3-замещённый Са3(Р04)2. Выбор добавок обусловлен наличием атомов «горючих» (А1, М^, В, Т1) или Г как окислителя и одновременно элемента, способного взаимодействовать с оксидной плёнкой, покрывающей частицы алюминия. Соединение Са3(Р04)2 условно инертное и использовано для сравнения.
2. Установка, проведение и обработка эксперимента
Экспериментальная
основана на малогаба-
в
методика сжигании
ритном сосуде высокого давления (минибомбе) исследуемого образца при давлении 0.35 МПа в азоте. При этом производится
видеосъёмка процесса горения через окна и отбор конденсированных продуктов горения (КПГ) в жидкость. Вид минибомбы показан на рис. 1. Наружный диа-—■ " метр корпуса - 90 мм,
Рис. 1. Фот°графии бомбы и её оснастки эффективный диаметр
окон - 30 мм, рабочее давление - до 3 МПа, объём - 0.33 л.
Воспламенение образца производится нихромовой проволокой, нагреваемой электротоком. Под образцом устанавливается стакан с «замораживающей жидкостью» — дистиллированной водой. Диаметр стакана на 0.5 мм меньше внутреннего
диаметра бомбы. Образец в виде пастообразной смеси помещён в стаканчик из оргстекла с внутренним диаметром 5 мм и глубиной 5 мм и закреплён в сосуде так, чтобы факел горения был направлен вниз. Расстояние от поверхности образца до поверхности жидкости до опыта устанавливается 1.5 см. Давление создаётся газом из баллона и контролируется манометром. Процесс горения образца регистрируется с помощью видеосъёмки, что позволяет определить время горения образца. Вылетающие с поверхности образца горящие металлические частицы-агломераты при попадании в жидкость гаснут. В проведённых экспериментах производится гашение и полный отбор агломератов, покидающих поверхность горения образца. Расчёты оценки скорости и времени оседания частиц с плотностью 3.7 г/см3 (оксид алюминия) проведены при давлении 3.5 атм с помощью «аэрозольного калькулятора» АегоСа1с. Дистанция оседания 6.5 см соответствует высоте свободного объёма бомбы (сумма расстояний от крышки бомбы до верхнего края стаканчика и 1.5 см от края до жидкости). Время оседания определяется по формуле
Время оседания = <дистанция>/<скорость оседания>.
Согласно оценке, скорость оседания сферических частиц диаметром 3 мкм и плотностью 3.7 г/см3 составляет 1 см/с.
3. Подготовка и анализ осадка
После извлечения стаканчика суспензию процеживали через проволочное сито с размером ячейки 80 мкм. Согласно [12], частицы крупнее 80 мкм считаются агломератами. Остаток на сите высушивали при комнатной температуре, взвешивали и определяли безразмерную массу агломератов т80 как отношение массы частиц крупнее 80 мкм к массе образца топлива до опыта:
т80 = <масса остатка на сите 80 мкм>/<масса образцов до опыта>.
Абсолютная погрешность определения т80 не более 0.02. Масса агломератов характеризуется безразмерным параметром т80 (рис. 2)
Добзека
Рис. 2. Безразмерная масса т80 частиц-агломератов
На рис. 2 видно, что почти все исследованные добавки приводят к увеличению массы агломератов т80, за исключением добавки (КН4)2Т1Е6. Высушенные частицы-агломераты подвергали морфологическому, гранулометрическому и химическому анализам. Скорость горения образца (г, мм/с) определяли по формуле
г = <длина образца>/<время горения>,
где длина образца есть глубина стаканчика 5 мм; время горения определяли в результате обработки видеозаписей процесса горения. Абсолютная погрешность определения скорости горения — 0.1 мм/с. На рис.3 показано сравнение уровней скорости горения топлива с добавками-модификаторами.
500
I
400 ■
300
нет
А1МдВ14 т'вг
ЩБРЧ
<МН4)2Т1Р6 Са^РО^
Добавка
Рис. 3. Скорости горения исследованных топлив при давлении 0.35 Мпа
Как видно, добавки А1М^В14 и Т1В2 повышают скорость горения, а добавки Са3(Р04)2, (№Н4)2Т1Рб, КН4ВР4 в основном понижают скорость горения по сравнению с базовым топливом. В табл. 2 приведены средние размеры агломератов Втп для всех исследованных топлив.
Таблица 2
Средние размеры Бтп агломератов (в мкм)
Добавка Яю Язо Яз2 Я43 Я53
- 246 306 373 431 457
AlMgBl4 225 252 279 303 214
Т1Б2 245 272 301 325 336
га4 бе4 268 304 341 374 390
(N^2^6 310 376 453 522 551
Саз(Р04)2 281 316 355 399 422
Рис. 4 демонстрирует влияние добавок на средний размер агломератов Д43. Влияние добавок А1М^В14 и Т1В2 приводят к заметному снижению Д43, добавки Са3(Р04)2 — к незначительному снижению. Добавка КН4ВР4 увеличивает средний размер агломератов.
Заключение
В работе исследовано влияние добавок-модификаторов Т1В2, А1М^В14, (КН4)2Т1Р6, КН4ВР4, Са3(Р04)2 на параметры горения смесевого топлива на основе порошкообразного алюминия в качестве горючего (около 20%), перхлората
0,22 -0,18 -8 0.14 -
е
010 -0,06 -
0,02-1-1-г---1---1---г-----1--
нет А1МдВц TiB2 NH^BF., (NH^TiF,; Са3(Р04}5
Добавка
Рис. 4. Средние размеры D43 частиц-агломератов
аммония в качестве окислителя (около 60 % по массе) и активного связующего (МПВТ около 20 %) на характеристики (параметры) конденсированных продуктов горения (КПГ) топлив. В результате исследования зависимостей безразмерной массы частиц крупнее 80 мкм m80 (агломератов) и их среднего размера D43 от скорости горения для топлива без и с добавкой-модификатором были выявлены следующие тенденции: добавки-модификаторы AlMgB14, TiB2 повышают скорость горения топлива, а также безразмерную массу агломератов, но при этом снижают размер агломератов; добавки-модификаторы Саз(Р04)2, (NH4)2TiF6, NH4BF4 снижают скорость горения топлива. Проведённый анализ влияния добавок базируется на ограниченном наборе экспериментальных данных при одном давлении 0.35 МПа для топлива с одним типом связующего и одним размером ПХА. Поэтому, несмотря на отдельные положительные эффекты (уменьшение размера агломератов или размера оксидных частиц), ни одна из пяти исследованных добавок не даёт одновременного понижения как размера, так и массы агломератов. Работу по поиску новых добавок, способных понизить интенсивность агломерации, необходимо продолжить.
Список литературы
1. Нуруллаев Э. М. Основные характеристики смесевых твёрдых топлив и области их применения. М., Вологда : Инфра-Инженерия, 2021.
2. ГладунВ.Д., Фролов Ю. В., КашпоровЛ. Я. Агломерация частиц порошкообразного металла при горении смесевых конденсированных систем. Препринт. Черноголовка : Ин-т хим. физики АН СССР, 1977.
3. ПохилП. Ф., Мальцев В. М., Логачев В. С., Селезнев В. А. Горение частиц алюминия в факеле пламени конденсированных систем // Физика горения и взрыва. 1971. T. 7, № 1. С. 51-57.
4. Zarko V. E., Glotov O. G. Formation of Al oxide particles in combustion of aluminized condensed systems (Review) // Science and Technology of Energetic Materials. 2013. Vol. 74, no. 1. P. 139-143.
5. Глотов О. Г. Конденсированные продукты горения алюминизированных топлив. IV. Влияние природы нитраминов на агломерацию и эффективность горения алюминия // Физика горения и взрыва. 2006. Т. 42, № 4. С. 78-92.
6. Горбенко Т. И. Регулирование энергетических характеристик топлив на основе нитрата аммония // Вестн. Сиб. гос. аэрокосм. ун-та имени академика М. Ф. Решетнева. 2009. T. 23, № 2. С. 173-178.
7. Гладун В. Д., Фролов Ю. В., Кашпоров Л. Я. О слиянии частиц порошкообразного алюминия на поверхности горения металлизированных составов // Физика горения и взрыва. 1977. T. 13, № 5. С. 705-710.
8. БрейтерА.Л., Кашпоров Л. Я., Мальцев В. М., Похил П. Ф., Попов Е. И., Пепекин В. И., Стасенко А. Г. Горение одиночных частиц алюминиево-магниевых сплавов в пламени смеси окислитель — горючее // Физика горения и взрыва. 1971. Т. 7, №. 2. С. 222-227.
9. HeW., LyuJ.Y., Tang D. Y., He G. Q., Liu P. J., YanQ.L. Control the combustion behavior of solid propellants by using core-shell Al-based composites // Combustion and Flame. 2020. Vol. 221. P. 441-452.
10. KorotkikhA. G., GlotovO.G., Arkhipov V. A., ZarkoV.E., KiskinA.B. Effect of iron and boron ultrafine powders on combustion of aluminized solid propellants // Combustion and Flame. 2017. Vol. 178. P. 195-204.
11. Ромоданова Л. Д., Похил П. Ф. О влиянии добавок металлов и их боридов на скорость горения смесевых систем // Физика горения и взрыва. 1973. Т. 9, № 2. С. 230-235.
12. Глотов О. Г., ЗаркоВ.Е., КарасевВ.В. Проблемы и перспективы изучения агломерации и эволюции агломератов методом отборов // Физика горения и взрыва. 2000. Т. 36, № 1. С. 161-172.
Поступила в 'редакцию 11.12.2023. После переработки 26.03.2024.
Сведения об авторах
Белоусова Наталья Сергеевна, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры газодинамических импульсных устройств, Новосибирский государственный технический университет; младший научный сотрудник лаборатории горения конденсированных систем, Институт химической кинетики и горения имени В. В. Воеводского СО РАН, Новосибирск, Россия; e-mail: [email protected].
Глотов Олег Григорьевич, кандидат физико-математических наук, доцент, профессор кафедры газодинамических импульсных устройств, Новосибирский государственный технический университет; заведующий лабораторией горения конденсированных систем, Институт химической кинетики и горения имени В. В. Воеводского СО РАН, Новосибирск, Россия; e-mail: [email protected].
Гуськов Анатолий Васильевич, доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой газодинамических импульсных устройств, Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск, Россия; e-mail: [email protected].
Chelyabinsk Physical and Mathematical Journal. 2024. Vol. 9, iss. 2. P. 195-202.
DOI: 10.47475/2500-0101-2024-9-2-195-202
STUDY OF THE ADDITIVE MODIFIERS EFFECT ON THE COMBUSTION CHARACTERISTICS OF COMPOSITE PROPELLANTS WITH ALUMINUM
N.S. Belousova1'2'", O.G. Glotov1'2, A.V. Guskov1
1 Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russia
2 Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, Novosibirsk, Russia " [email protected]
We studied the effect of modifier additives TiB2, AlMgB14, (NH4)2TiF6, NH4BF4, Ca3(PO4)2 on the combustion parameters of composite propellants based on aluminum powder as a fuel (about 20% wt.), ammonium perchlorate as an oxidizer (about 60% wt.), and energetic binder (MPVT about 20 % wt.). As a result of the study, the influence of additives on the rate of composite propellants combustion, dimensionless mass and agglomerate size was revealed.
Keywords: composite propellants, aluminum, additives, titanium diboride, aluminum-magnesium boride, ammonium tetrafluoroborate, ammonium-titanium fluoride, 3-substituted calcium phosphate, combustion rate, agglomeration, condensed combustion products, particle size distribution.
References
1. Nurullaev E.M. Osnovnye kharakteristiki smesevykh tvyordykh topliv i oblasti ikh primeneniya [Main characteristics of mixed solid fuels and areas of their application]. Moscow, Vologda, Infra-Inzheneriya Publ., 2021. (In Russ.).
2. GladunV.D., FrolovYu.V., Kashporov L.Ya. Aglomeratsiya chastits poroshkoobraznogo metalla pri gorenii smesevykh kondensirovannykh sistem [Agglomeration of powdered metal particles during combustion of mixed condensed systems]. Preprint. Chernogolovka, Institute of Chemical Physics AS USSR, 1977. (In Russ.).
3. Pokhil P.F., Mal'tsev V.M., Logachev V.S., SeleznevV.A. Combustion of aluminum particles in the flames of condensed systems. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 1971, vol. 7, no. 1, pp. 43-47.
4. Zarko V.E., Glotov O.G. Formation of Al oxide particles in combustion of aluminized condensed systems (Review). Science and Technology of Energetic Materials, 2013, vol. 74, no. 1, pp. 139-143.
5. Glotov O.G. Condensed combustion products of aluminized propellants. IV. Effect of the nature of nitramines on aluminum agglomeration and combustion efficiency. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 2006, vol. 42, no. 4, pp. 436-449.
6. GorbenkoT.I. Adjustment ofpower performances of propellant based onammonium nitrate. The Siberian Aerospace Journal, 2009, vol. 23, no 2, pp. 173-178.
7. GladunV.D., FrolovYu.V., Kashporov L.Ya. Coalescence of powdered aluminum particles on combustion surface of metallized compositions. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 1977, vol. 13, no 5, pp. 596-600.
8. Breiter A.L., Kashporov L.Ya., Mal'tsev V.M., Pokhil P.F., Popov E.I., Pepekin V.I., Stasenko A.G. Combustion of individual aluminum-magnesium alloy particles in the flame of an oxidizer-fuel mixture. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 1971, vol. 7, no. 2, pp. 186-190.
9. He W., Lyu J.Y., TangD.Y., HeG.Q., Liu P.J., YanQ.L. Control the combustion behavior of solid propellants by using core-shell Al-based composites. Combustion and Flame, 2020, vol. 221, pp. 441-452.
10. KorotkikhA.G., GlotovO.G., ArkhipovV.A., ZarkoV.E., KiskinA.B. Effect of iron and boron ultrafine powders on combustion of aluminized solid propellants. Combustion and Flame, 2017, vol. 178, pp. 195-204.
11. Romodanova L.D., Pokhil P.F. Effect of adding metals and their borides on burning rate of composite systems. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 1973, vol. 9, no. 2, pp. 195-198.
12. GlotovО.G., ZarkoV.E., KarasevV.V. Problems and prospects of investigating the formation and evolution of agglomerates by the sampling method. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 2000, vol. 36, no. 1, pp. 146-156.
Article received 11.12.2023.
Corrections received 26.03.2024.
