CC BY
38
Mr Panto Maslak,
dipl. ini
KATALITIČKA AKTIVNOST OKSIDA OLOVA I BAKRA U REAKCIJISAGOREVANJA DVOBAZNIH RAKETNIH GORIVA
UDC: 621.45.07-6:541.128
Rezime:
Jstraiivanja prikazana и ovom radu predstavljaju ekspcrimentalno fenomenololko pro-učavanje katalitićke aktivnosti oksida olova i bakra (uz konstantan udeo baznog olovosteara-ta. vinofila S i čadi) и reakciji sagorevanja dvobaznih raketnih goriva rczliČitih energetskih nivoa. Kao mera katalitičke aktivnosti proučavanih kataiizatora brzine scgorevanja koriSćen je koeficijent katalitičke aktivnosti. koji predstavlja odnos brzine sagorevanja referentnog modela dvobaznog raketnog goriva sa katalizatorima brzine sagorevanja i referentnog modela dvobaznog raketnog goriva bez kataiizatora brzine sagorevanja.
Ključne reči: dvobazno raketno gorivo, katalitička aktivnost, koeficijent aktivnosti. brzina sagorevanja.
CATALYTIC ACTIVITY OF LEAD AND COPPER OXIDES IN THE REACTION OF DOUBLE BASE PROPELLANT BURNING
Summary:
The investigation includes experimental and phenomenological studies of the catalytic activity of lead and copper oxides, (with a constant ratio of basic lead-stearate, calcium carbonate and carbon - black) in the process of burning of double base propellants of different energies. The catalytic activity ratio is used as a measure of catalytic activity, and it represents the ratio of the burning rate of double base propellants with a catalyst referent model to the burning rate of double base propellants without a ballistic catalyst referent model.
Key words: double base propellants, catalytic activity, catalytic activity ratio, burning rate.
(Jvod
Dodavanje kataiizatora brzine sagorevanja u osnovne sastave dvobaznih raketnih goriva u toku proizvodnje omogu-ćava da se reguliSe nivo brzine sagorevanja ovih pogonskih materija i da se isto-vremeno smanje vrednosti temperatumog koeftcijenta i eksponenta pritiska [1,2, 3]. Tako je mogudc, u obiasti pritisaka interesantnoj za raketne motorc, do-
stidi vrednosti eksponenta pritiska bli-ske nuli ili manje od nule. Pojava ovih plato ili meza efekata nužna je da bi se dobila stabilna tačka rada raketnog motora [4,5]. Aditivi koji omogućava-ju da se ostvare ovi efekti jesu jedinjc-nja olova i jedinjenja bakra pridružc-na jedinjenjima olova [6, 7]. Njihovo dejstvo zavisi od osobina i udela ovih supstanci, kao i od cnergetskog poten-cijala osnovnog sastava. Cilj istraživa-
VOJNOTEHNIČM GLASNIK 6/200J.
617
nja prikazanih u ovom radu, jestc pro-učavanje katalitičke aktivnosti jedi-njcnja olova i bakra u rcakciji sagore-vanja dvobaznih rakctnih goriva razli-čitih energetskih svojstava.
Eksperimentalna istraživanja
Modeli dvobaznih raketnih goriva (DRG) izradeni su tehnikom ekslrudova-nja [8, 9], koja je obuhvatala izradu ,Jake sme$e“ (smeša nitroceluloze, nitroglice-rina, stabilizator i eventuaino plastifika-tora), doziranje katalizatora brzine sago-revanja i homogenizaciju barutne mase, želatinizaciju nilroceluloze nitrogliceri-nom na diferencijalnim i homokinetič-kim vaijcima i ekstrudovanjc cilindrič-nih, aksijalno simetričnih barutnih bloko-va spoljnjeg prečnika 32 mm, unutra-šnjeg prečnika 16 mm i dužine 125 mm, Cija površina sagorevanja ostaje kon-stantna tokom sagorevanja u standard-nom eksperimentalnom motoru (SEM).
Za izradu opitnih modela DRG, kao energetske komponente korišćena su, pored nitroglicerina, tri modaliteta nitroce-luloze (NO) koji se razlikuju po sadržaju azota i čije su osnovne karakteristike pri-kazane u tabeli 1.
Nitroglicerin (NG), bezbojna uljasta tečnost gustine 1,6 g/cm\ korišćen je kao energetski želatinizator nitroceluloze.
Smeša dinitrotoluena (DNT) i trini-trotoluena (TNT), tačke topljenja oko
Tabeio I
Karakteristike nilroceluloze
Karakteristika Nitroceluloze
NC, NC, NC,
Azoi u NC (mas. koncentraciia, %) 12,05 12.30 12,68
Finoća (cmO 90.00 80,00 80.00
50°C, korišćena jc kao plastifikator nitro-celuloze.
Dictilftalat (DEF) korišćen je, takode, kao plastifikator nitroceluloze.
Simetrična dimetildifenilurea (centra-lit I, Cl) korišćena je kao stabilizator DRG.
Sastavi referentnih (osnovnih) mode-la DRG (opitni modeli bez katalizatora brzine sagorevanja) prikazani su u tabeli 2.
Tabela 2
Sastavi referentnih modela DRG
Komponenu DBI0 DB20 ОВЗО
NC, (mas. kooceniracija. '✓•> $8.0 - •
NC. (mu. koncentracija, %) - 57.0 -
NC, (mu. koocentncija, Ч) - - 58.0
NG (mu. koncemncija. %) 36.0 36.S 39.0
DNT/TNT (mu. konceniraciia. %) - S.0 -
DF.F (mu. koncentracija, %) 3.0 - -
Cl (mas. koncentracija, %) 3.0 2,5 3.0
Kao katalizatori brzine sagorevanja korišćeni su prvenstveno bakar-oksid, CuO i olovo-dioksid, Pb02, u udelima pri-kazanim u tabeli 3. U pojedinim modeli-
Tabela 3
Maseni udeli katalizatora brzine sagorevanja и opitnim moddima DRG
Oznaka DRG Maseni udeli katalizatora brzin na lOOdelovtreferentnof e sagorevanja isastava
C Vinofil S.PbS CjO PbO; DEF Q(J'g)
DB10 4186.6
DBM 4.0
DBI2 4,0 3.6 0.6 1.0
DBI3 4.0 1.0 1.0
DBI4 4,0 4,6 0,6
DBI5 4,0 3.6 0.6
DBI6 4.0 3,6 0,6
DB20 4560,0
DB21 4.0 4.6 0,6
DB22 4.0 1,0 1,0 1,0
DB23 4.0 3.6 0.6
DB24 4,0 3.6 0.6
DB30 4890,0
DB3I 4,0 3.6 0.6
DB32 4.0 3.6 0.6
DB33 4,0 1.0 l.o
DB34 4.0 1.0 l.o 1,0
618
VOJNOTEHNIČKI OLASNIK V20QI.
ша DRG korišćeni su, takode, i kalcijum-karbonat, CaCO} (Vinofil S), Čađ (C) i ba-zni olovo-stearat (PbS). Njihov ukupni uđeo iznosio jc oko 4% masene koncen-tracije u referentnim sastavima (tabela 3).
Rezultat ispitivanja i diskusija
Razmatrana je uloga katalizatora br-zinc sagorevanja u procesu sagorevanja dvobaznih raketnih goriva.
Rezultati ispitivanja brzine sagore-vanja DRG u SEM-u prikazani su na sli-kama 1, 2 i 3, na kojima krive predsta-vljaju eksperimentalne rezultate, a izve-deni matematički modeli zakona brzine sagorevanja, V= b P", sa odgovarajućim koeficijentima korelacije, г, dati su u ta-beli 4. U tabeli 4 prikazani su i toplotni potencijali, Qt izrađenih modela DRG.
Kao mera efikasnosti katalizatora brzine sagorevanja koriSćen je koefici-jent katalitiCke aktivnosti, Kx. odnos brzine sagorevanja raketnog goriva sa bali-
stičkim katalizatorima (katalizovana DRG) i brzine sagorevanja odgovaraju-ćih referentnih modela bez katalizatora (nekatalizovana DRG)
v h
К - k'1 - kj
gdeje:
Vu - brzina sagorevanja i-tog modela ka-talizovanog DRG;
Voi - brzina sagorevanja i-tog modela ne-katalizovanog DRG.
Imajući u vidu jlogu katalizatora brzine sagorevanja (regulisanje nivoa brzine sagorevanja, uz istovremeno sma-njenje eksponenta pritiska i temperatur-nog koeficijenta), kao mera njihove efi-kasnosti korišćen je i eksponent pritiska katalizovanih DRG.
Određene vrednosti koeficijenata ka-talitičkc aktivnosti date su na slikama 4, 5 i 6.
Parametri zakona sagorevanja i toplotni potencijali DRG
Tabela 4
Oznaka DRG Q(J/g) V-bP"
b (mm/bars) n(-) r(-) Interval Р (bar)
DB10 4186.6 0.46 0.708 1.000 33-300
DB11 3767,4 3,14 23.47 0,420 0.016 0.985 0.923 70-150 150-250
DB12 3914,5 6,22 10.45 0,259 0.101 0,996 0,961 70-120 120-200
DB13 4026.9 12,31 0.044 Шз 100-180
DB14 3881.5 2,59 0.413 оШ 70-220
DBIS 3842.7 1,07 12.28 0,625 0.123 0,962 0.985 70-120 120-200
DBI6 3809,0 2,75 14.08 0.436 0.123 Ш 0.967 70-120 120-200
db55 1 4560.0 0.47 0.729 Шб 30-300
DB21 3872.6 1.32 0.529 0.950 70-220
DB22 4018.6 11.42 0,012 0.996 70-102
DB23 3914.2 9.78 0.192 0.968 120-220
DB24 Щ9 2.13 0.448 0.990 70-220
DB30 4^16 0.48 0.748 0.967 100-300
DB31 4102J 0.82 0.621 Шб 70-220
DB32 4040.1 1.61 0.512 Ш1 70-220
DB33 3994.0 1.12 0.571 0.996 70-220
DB34 4269.7 - -JLW o!ŽŽl 0.998 70-220
VOJNOTEHNlCKI GLASNIK 6^003
619
DBIO
1» e i- • -i - — » 1 1 ■ « ■ ■ ^ > -1‘*в*П**в** • »
Г Г . у*0*** ' 1
n l и J—•- DBIO .
l* —♦—DBl 1 —DBU -
• * ! ! \ —O— DBM
j •%.—~|~ и~ I л—W , ,
II ,’m 9 щ vb«e# •<. u . . . * • • •*- J-*»» J»»-Г 1 Л4*л 1 • 1 ♦ 1 1 1 •
—H—DB16
4 • *« M IM IM 1M 1M 1» J*0 И* 2« IM Ш Pritisak (btrl
SI. 1 - Rezuitati ispitivanja brzine sagorevanja modela DBl /.. ....DBI6
D820
SI. 2 - Rezuitati ispitivanja brzine sagorevanja modela DB21..........DB24
620
VOJNCTEHNlCKl GLASNIK 64003
SI. 4 - Vrednostikoeficijenta katalitićke aktivnosti;a DBIl...D316
40 «0 *0 100 120 140 160 ISO 200 220 240 Ж0
P(bar)
Si 6 - Vrednosti koeficijenta kataiitićke aktivnosti za DB3i.......D334
VOJNOTEHNIĆKJ GLASNIK 6/2003.
621
Rezultati ispitivanja katalitičke ak-tivnosti jedinjenja olova i bakra u reakci-ji sagorevanja pokazuju da se katalitička efikasnost jedinjenja olova i bakra sma-njuje po istom eksponencijalnom tipu za-visnosti sa povećanjem pritiska sagorevanja. To znači da se kataliza reakcije sagorevanja DRG odvija po istom mehani-zmu, nezavisno od osobina korišćenih katalizatora brzine sagorevanja i energet-skog potencijala goriva. Medutim, inten-ziteti ove katalize su različiti i zavise i od osobina katalizatora i od energetskog potencijala goriva. Povećanjc energetskog potencijala DRG nepovoljno utiče na ka-talitičku aktivnost organskih jedinjenja, naročito na vrednost eksponenta pritiska.
Organska jedinjenja sa acikličnim nizom C-atoma (olovo-stearat), kao i ok-sidi olova, efikasniji su u sluCajevima ni-skocnergetskih DRG. Ovakav rezultat uslovljen je različitim energijama raspa-da jedinjenja. Na primer, olovo-stearat se lakše raspada (na oko 200°C) i zato po-kazuje dobru efikasnost kod niskocner-getskih goriva [1,4].
Pri pritiscima manjim od 120 bara katalitička aktivnost ispitivanih modela je najizraženija, a povećanje brzine sagorevanja iznosi i do 250%. Ova pojava u literatim je poznata kao područje „super-brzina“ [1,2,6].
Zaključak
Katalitička aktivnost jedinjenja olova i bakra u reakciji sagorevanja DRG eksponencijalno se smanjuje sa porastom pritiska sagorevanja DRG. Intenzitet katalize reakcije sagorevanja DRG zavisi od osobina olovnih jedinjenja, od energi-je goriva, kao i od masenog udela azota u nitrocelulozi.
Povećanje energetskog potencijala DRG i udela azota u nitrocelulozi nepo-voijno utiču na katalitičku aktivnost ovih jedinjenja, naročito na vrednost eksponenta pritiska. Analizom eksponenta pritiska u zakonu brzine sagorevanja ispitivanih modela u ovom radu zaključuje se da je veći uticaj masenog udela azota nc-go toplotnog potencijala DRG.
Olovna jedinjenja sa acikličnim nizom C-atoma i oksidi olova efikasni su kod niskoenergetskih DRG i DRG sa manjim udelom azota u nitrocelulozi. Oksid olova korišćen je u udelu od 0,6 delova na 100 delova osnovnog sastava, Što je dovoljna koiičina za postizanje plato efekta sagorevanja, u kombinaeiji sa ka-talizatorima brzine sagorevanja, kao Što su Cad i olovo-stearat (bazni). Udeo oksi-da bakra od 1,0 do 4,6 delova na 100 delova osnovnog sastava služi za podešava-nje nivoa brzina sagorevanja.
Većina izradenih modela DRG inte-resantna je za praktičnu primenu u proiz-vodnji realnih pogonskih punjenja za ra-ketne motore.
Literutura:
[ 11 Preckel, R. F\: Plateau Baltstics in nttrocelulosc Propellants.
AIAA Journal. Vol 3. Febc. 1965. pp 346 347.
|2) Kubota, N.: Determination of plateau burning efect of catalyzed dable-base propellants 17 th Simposium on combustion institute. Pittsburgh. Pa. 1979. pp 1435-1441.
[3] Maslak. P : Uporccbto epitivai^c razRitih baltstkkih modifika-tora u dvobaatim borutima, Megistarski rad. Beograd. 1990.
|4] Kubota, N.: Role of aditives a Combustion waves and effects on stable combustion limit of double-base propellants. Propellants and Explosives. Lab.. 3.1978 pp 163-168.
|5j Kenet, К. K.’ Fundamentals of Sobd-propelanl Combustion Published by the American Institute of Aeronautics and Astronautics. Inc. 1633 Brodwty. New York. N. Y. 10019.1984. |6) Fiftr, R. A.; La noon, i. A.r EfTect of pressure and some lead salts on the Chemistry of solid propellant Combustion Combust Flame. 24. 369-380.1981.
|7| Kubota. N. and others; The mechanism of Super-nie Burning of Catalysed Double-base Propciants, AIAA. p 74-124. Jan. 1974. (8] Maslik. P.r TI-636. Novi tasiavi dvobaznih reketnih baru-ta. VTI. Beograd. 1984.
|9| Maslak. P.; Tot. L: Ispitivuijc utkaja srcdnjcg masenog udela a roll u nitrocelulozi i veikine Cestica modifikatora na brzine sagorevanja dvobaznih raketnih goriva. Vojno-(ehnicki glasnik 1/2002 (28-35).
622
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 6/2003.
