CC BY
0
УДК 551.576
Геккиева С. О.
кандидат физ.-мат. наук, СНС отдела физики облаков, ФГБУ «Высокогорный геофизический институт»,
г. Нальчик, Россия
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КРИСТАЛЛИЗУЮЩИХ РЕАГЕНТОВ С ПОМОЩЬЮ
ДОБАВОЧНЫХ КОМПОНЕНТОВ
Аннотация
В данной статье представлены теоретические исследования и некоторые результаты лабораторных экспериментов по возможности дальнейшего увеличения эффективности пиротехнических составов используемых в противоградовых изделиях (ПГИ) типа «Алазань-6» и «Алазань-9». В качестве опытного материала был использован пиротехнический состав АД1 с добавлением тонкодисперсного порошка цинка, который вводили в исходный пиротехнический состав в соотношении к общей ее массе -соответственно 3%, 6% и 9%. Согласно полученным результатам следует, что наличие в составе исходного льдообразующего топлива мелкодисперсного порошка цинка в соотношении к общей массе состава 6%, повышает выход льдообразующих частиц во всем диапазоне принятых температур, начиная от нуля до минус 14 0С.
Дальнейшие рассуждения о свойствах кристаллизующих реагентов и их усовершенствование ведутся на примере Agi, в связи с тем, что экспериментальные данные об активности Agi примерно соответствуют теоретическим при характерных размерах частиц и временах экспозиции реагента в облаках - естественных и в камерах туманов.
Ключевые слова:
активные воздействия, пиротехнический состав, реагент, льдообразующие частицы, цинк. Введение
Попытки оказывать влияние на погоду делались еще в глубокой древности. Люди, пытаясь разогнать грозовое облако, пускали в него копья и стрелы, устраивали лесные пожары и т.д. С развитием научных знаний стали давать научное объяснение наблюдаемым явлениям природы. В конце XIX в. начали ставиться опыты по вызыванию дождя и рассеянию облаков. С начала XX в. такие опыты получили широкое распространение и начали проводиться во многих странах мира. Несмотря на то, что эти опыты по активным воздействиям не дали положительных результатов, все же они были полезны, так как заставляли людей отбрасывать старые и изыскивать новые методы искусственного изменения погоды и таким образом постепенно находить верные пути в этой области деятельности человека. Можно сказать, что достижения в области активных воздействий на облака во многом основываются на опыте прежних работ [1-3].
Воздействие на атмосферные процессы - это одновременно и метод познания законов природы. Отклик атмосферы на воздействие в строго контролируемых опытах, сопровождающихся теоретическим анализом, который позволяет определять, насколько правильны наши представления о физических процессах, происходящих в атмосфере, и возможны ли их предвычесления; одновременно он позволяет оценивать надежность информационно-измерительной аппаратуры, контролирующей состояние атмосферы и ее трансформацию под влиянием воздействия. Кроме того, нельзя забывать о существовании военных аспектов науки о воздействии на атмосферные процессы.
Большое практическое значение приобретают проводящиеся в настоящее время работы, направленные на вызывание искусственных осадков, по предотвращению града, рассеянию туманов и облаков. Известен ряд веществ, при введении которых в диспергированном состоянии в облако начинается интенсивная кристаллизация облака. Самым востребованным среди них является аэрозоль йодистого серебра, полученный термической возгонкой, который обладает высокой льдообразующей активностью. Пиротехнические составы на основе йодистого серебра AgI включают перхлорат аммония, фенолформальдегидную смолу, дициандиамид, смесь тонкоизмельченных порошков йодида серебра, калия и меди, и в качестве технологических добавок графит и масло индустриальное, а также технический углерод при следующем соотношении компонентов, масс.%:
перхлорат аммония 8-52
фенолформальдегидная смола 12-16
дициандиамид 7-9
йодид серебра 6-8
йодид калия 10-12
йодид меди 4-6
графит 0,5-1
технический углерод 3-4
масло индустриальное 0,5-1,
причем йодиды серебра, калия и меди содержатся в массовом соотношении как 1:1,6:0,7.
К недостаткам данного состава можно отнести низкий порог льдообразующего действия в диапазоне минус 4-5°С, выход активных ядер кристаллизации при температуре минус 10°С составляет лишь (1-2)х1013с 1 г состава, а при минус 6°С - до 7,5х1012 с 1 г состава, что недостаточно для эффективного применения на практике при воздействии на мощные градовые процессы. Кроме того в известном составе недостаточно оптимизированы соотношения компонентов всех входящих в него элементов, что снижает эффективность его применения. Несмотря на это данный отечественный пиротехнический состав используется при создании топливных зарядов маршевых ракетных двигателей, начиненных реагентом для оснащения противоградовых ракет.
Поиски новых кристаллизующих реагентов связаны с необходимостью максимально увеличить их активность, особенно при близких к 0°С температурах, найти дешевые и экологически чистые реагенты. Как следует из развитой теории, одним из основных условий высокой активности реагентов является требование минимума работы образования зародыша льда на подложке, что соответствует требованию минимума добавочной линейной энергии на границе раздела подложка-вода. Значения линейной энергии на границе раздела подложка-вода для одинаковых по химическому составу подложек могут отличаться за счет различия поверхностных свойств.
Другим важным условием является высокая диспергируемость реагента, позволяющая получить оптимальную суммарную поверхность аэрозольных частиц реагента. Кроме того, они должны быть гигроскопическими - легко обволакиваться водой. Таким реагентам, как йодистое серебро, гигроскопичность придается примесями. Именно поэтому кристаллизующая активность Agi сильно зависят от состава и количества гигроскопических примесей. Образование капель на гигроскопических ядрах хорошо изучено экспериментально и теоретически. Рост капли раствора гигроскопического вещества благодаря эффекту Рауля может идти при довольно низких значениях относительной влажности (f), меньших влажности насыщения над чистой водой, например, для раствора NaCl f > 75%. При адсорбции водяного пара на поверхности смачиваемых частиц образуется тонкая пленка воды, и частицы становятся зародышевой каплей. Такая частица-капля может расти в условиях сравнительно небольшого пересыщения, так как уже при г > 0,5 мкм величина влажности насыщения над выпуклой поверхностью (E(r)) почти не отличается от влажности насыщения над плоской поверхностью (А'(л)). Частицы с
дефектами поверхности покрываются пленкой воды на вогнутых участках, в которых конденсируется влага при относительных влажностях, меньших 100 % [5].
В качестве характеристик активности используют температурный порог льдообразующей активности (порог кристаллизации) - максимальную температуру, при которой процесс кристаллизации идет с заметной скоростью, и собственно льдообразующую активность - число ледяных частиц, образующихся в переохлажденном облаке при диспергировании единицы массы реагента при данной температуре за характерное время. Активность и порог активности зависят от физико-химических свойств реагента, от того, насколько хорошо он диспергируется, от температуры и влажности облака, а также от способа введения реагента в облако.
С учетом изложенного технической задачей является повышение выхода льдообразующих частиц на один грамм состава в диапазоне температур от нуля и ниже. Усовершенствование льдообразующих реагентов идет по различным направлениям. Синтезируют вещества с кристаллической структурой, максимально похожей на ледяную, на основании того, что в наиболее активном из известных реагентов -иодистом серебре - ионы серебра и иодида расположены аналогично кислороду и водороду в ледяной решетке. В связи с тем, что внутренние слои частиц реагента не участвуют в льдообразовании, используют в качестве ядра более дешевые вещества, а иодистое серебро как покрытие [5].
Некоторые результаты эксперимента Значительного усиления активности некоторых реагентов удается достичь путем добавления к основному составу новых компонентов. В качестве такого компонента предложен оксид цинка. Оксид цинка благодаря своей гигроскопичности, некоторым химическим и физическим свойствам позволяет повысить льдообразующую эффективность опытного реагента. Технический результат достигается и тем, что размеры частиц тонко измельченного порошка цинка в составе пиротехнического состава составляют 0,01 - 0,05 мм. Выбор данного диапазона размерных частиц обусловлен тем, что мелкие частицы более интенсивно смешиваются с другими компонентами состава при формировании топливных зарядов противоградовых ракет. Результаты, полученные путем лабораторных экспериментов [6], показали, что предложенный пиротехнический состав позволяет существенно повысить выход льдообразующих частиц с одного грамма топлива практически на порядок в сравнении с прототипом.
На рисунке 1 представлена зависимость выхода льдообразующих активных частиц (п) для различных содержаний тонкодисперсного порошка цинка в исходном составе АД-1. Кривая 1 характеризует выход льдообразующих частиц с одного грамма исходного состава АД-1 без содержания в нем цинка, кривая 2 - с содержанием в нем цинка 3%, кривая 3 с содержанием в нем цинка 6% и кривая 4 с содержанием цинка 9%.
п. х1013 г1
V
\ 3
• \ •
\
4
\
i 1 i •
- • 1 i т —*-, „ • »
■14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 t, С 0
Рисунок 1 - Выход активных частиц (п) для различных содержаний тонкодисперсного порошка цинка в исходном составе АД-1
п.хЮ12 г!
-11°С ------------
-9°С __ / / -7°
' -5°С
О 1 2 3 4 4,7 5 5,5 6 6.6 7 8 9
Рисунок 2 - Зависимость удельного выхода льдообразующих частиц от концентрации цинка в пиросоставе АД-1 для разного уровня температур
Из представленного графика видно, что наиболее максимальный выход льдообразующих частиц обеспечивается в интервале концентраций цинка 4,7-6,6 масс. %. Данная область на рисунке 2 ограничена вертикальными линиями.
Из приведенных выше материалов следует, что наличие в составе исходного льдообразующего топлива мелкодисперсного порошка цинка в соотношении к общей массе состава 6%, резко повышает выход льдообразующих частиц во всем диапазоне принятых температур, начиная от нуля до минус 14 0С. Такое повышение выхода активных льдообразующих частиц в диапазоне исследуемых температур, объясняется тем, что при высокой температуре сгорания пиротехнического состава формируются нанотрубки оксида цинка различных модификаций и размеров, которые активно взаимодействуют с переохлажденной облачной средой в принятом интервале температур. Так, например, при температуре минус 120С (кривая 3 на графике) выход льдообразующих частиц возрастает почти на порядок, а в интервале температур от минус 20С и до минус 40С - почти в два раза, что обеспечивает возможность воздействовать и на более теплую переохлажденную часть облачной среды.
Заключение
Введение в известный пиротехнический состав тонко измельченного порошка цинка в принятых соотношениях к общей массе состава практически не влияет на технологию производства топливных зарядов, а также на комплекс его реологических и физико-механических свойств, что позволяет изготавливать методом свободного литья или литья под небольшим давлением унитарные заряды любой конфигурации для противоградовых ракет типа «Алазань», а также ракет других модификаций.
Данный состав может быть использован также при создании перспективных наземных генераторов для активных воздействий на переохлаждённые туманы с целью обеспечения благоприятных метеорологических условий для функционирования космодромов, аэропортов и дорожно-транспортных коммуникаций.
Список использованной литературы:
1. Никандров В. Я. Искусственные воздействия на облака и туманы // Л.: Гидрометеоиздат.1959.С.191.
2. Плауде Н.О. К вопросу о механизме кристаллизации переохлажденного тумана аэрозолем йодистого серебра // Труды ГГО. Вып.186.1966. С.10-17.
3. Качурин Л.Г. Физические основы воздействия на атмосферные процессы. Л.: Гидрометеоиздат.1990. С.99-106.
4. Ивлев Л.С., Довгалюк Ю.А. Физика атмосферных аэрозольных систем. — СПб.: НИИХ СПбГУ. 1999. С.194.
5. Колосков Б.П., Корнеев В.П., Щукин Г.Г. Методы и средства модификации облаков, осадков и туманов // Монография. СПб.: РГГМУ. 2012. С.36-38.
6. Хучунаев Б. М., Байсиев Х.-М. Х., Геккиева С. О., Будаев А. Х. Экспериментальные исследования льдообразующей эффективности пиротехнического состава АД-1 с добавками цинка. Сборник «Труды ГГО». Вып. 597. 2020. С. 51-60.
© Геккиева С.О., 2024
