CC BY
82
УДК 536.46:629.194.632.1
ВЛИЯНИЕ ПОРОШКА ЖЕЛЕЗА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАЖИГАНИЯ И ГОРЕНИЯ СМЕСЕВЫХ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ
1,2КОРОТКИХ А.Г., 1 АРХИПОВ В.А., 3ГЛОТОВ О.Г., 3КИСКИН А.Б., 3ЗАРКО В.Е.
1Научно-исследовательский институт прикладной математики и механики Томского государственного университета, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36 ^Национальный исследовательский Томский политехнический университет,
634050, г. Томск, пр. Ленина, 30 3Институт химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского Сибирского отделения РАН, 630090, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3
АННОТАЦИЯ. Исследовано влияние 2 масс. % добавки порошка железа в состав смесевого твердого топлива, содержащего 15,7 масс. % нанопорошка алюминия Alex, на характеристики зажигания и горения топлив. Установлено, что частичная замена Alex на порошок железа в составе смесевого твердого топлива приводит к снижению времени задержки зажигания в 1,3 - 1,9 раза в диапазоне плотности теплового потока 55-220 Вт/см2 и увеличению реактивной силы оттока продуктов газификации от поверхности горения образца на 27 %. Степенной показатель закона скорости горения уменьшается с 0,51 до 0,43, линейная скорость горения увеличивается на 30 - 45 % и относительная масса к-фазы уменьшается с 0,25 до 0,19 в диапазоне давления азота в бомбе постоянного давления 2,0 - 7,5 МПа. При этом в конденсированных продуктах сгорания увеличивается содержание оксида алюминия a-Al2O3, нитрида алюминия AlN и нитрида углерода C3N4 за счет возможного увеличения градиента температуры и скорости химических реакций в газофазной зоне горения смесевого твердого топлива.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: смесевое твердое топливо, порошок алюминия, добавка железа, время задержки зажигания, лазерное излучение, импульс реактивной силы, скорость горения, конденсированные продукты сгорания.
ВВЕДЕНИЕ
Современные смесевые твердотопливные системы содержат в качестве окислителя кристаллы перхлората и нитрата аммония, гексогена, октогена или СЬ-20, горючего-связующего - полимерные инертные или активные каучуки, содержащие энергетические функциональные группы (нитратные, нитраминные или нитрогруппы) и металлическое горючее - порошки металлов (в основном алюминия) разной дисперсности, максимальное содержание которых достигает 22 масс. % [1]. Регулирование скорости горения смесевых твердых топлив (СТТ) в камере сгорания и удельного импульса ракетного двигателя в основном достигается за счет введения в состав СТТ катализаторов горения (как правило, порошков оксидов металлов) [2 - 5] или путем частичной или полной замены перхлората (нитрата) аммония нитраминами, а также изменения коэффициента избытка окислителя и размеров частиц кристаллов окислителя и металлического горючего [6, 7]. Перспективными металлическими горючими являются смеси порошков алюминия различной дисперсности или смеси алюминия и нанопорошков (НП) других металлов или их сплавов. Ранее было установлено [8], что НП металлов, полученные по технологии электрического взрыва проводников, обладают высокой реакционной способностью в реакциях окисления и имеют ряд свойств, которые отличают их от микронных порошков: наличие оксидно-гидроксидного слоя и водорода на поверхности частиц, агломерированных частиц, образовавшихся в процессе производства, пассивации и хранения порошков, а также наличие внутренних пор в структуре агломерированных частиц и электростатического поля у поверхностного и приповерхностного слоев частицы.
Основными характеристиками зажигания и горения СТТ, позволяющими оценить их воспламеняемость, устойчивость переходного процесса от зажигания тепловым потоком к самоподдерживающему горению и энергетику в процессе горения в энергосиловых
установках, являются зависимости времени задержки зажигания твердых топлив от плотности теплового потока или температуры нагрева, линейной скорости горения топлива от давления окружающей среды, а также единичный импульс реактивной силы [9], равный приросту величины тяги, реализуемому при сгорании единицы массы топлива.
Целью данной работы является экспериментальное исследование влияния добавки порошка железа на времена задержки газификации и зажигания, реактивную силу оттекающих от поверхности горения топлива продуктов газификации, температуру поверхности реакционного слоя в период зажигания СТТ СО2-лазером, а также на линейную скорость горения, количественный и фазовый состав конденсированных продуктов сгорания (КПС) исследуемых смесевых твердотопливных систем, содержащих НП алюминия Alex.
1. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Исследуемые образцы СТТ
Для исследования основных характеристик зажигания и горения использовали два смесевых состава твердого топлива. Первый - базовый состав СТТ, содержащий 64,6 масс. % бидисперсный перхлорат аммония (ПХА) (фракции мельче 50 мкм и 160 - 315 мкм в соотношении 40/60); 19,7 масс. % бутадиеновый каучук марки СКДМ-80, пластифицированный трансформаторным маслом; 15,7 масс. % металлическое горючее -нанопорошок алюминия Alex, полученный в аргоне по технологии электрического взрыва проводников. Во втором смесевом составе твердого топлива НП Alex частично замещался на 2 масс. % каталитической добавки - НП железа. Исследуемые цилиндрические образцы СТТ диаметром 10 и высотой 30 мм изготавливали по технологии [10] в лабораторных условиях с помощью порционного перемешивания компонентов с последующим проходным прессованием. Плотность отвержденных образцов СТТ в зависимости от компонентного состава составляла 1,53 - 1,56 г/см . Для проведения эксперимента выбирали одинаковые по плотности образцы СТТ.
В работе использовались порошки алюминия и железа, полученные по одинаковой технологии. Фотографии электронного растрового микроскопа Merlin частиц НП алюминия Alex с разным увеличением и функции массового распределения частиц по размерам, измеренные с помощью лазерного анализатора размера частиц Analysette 22 в дистиллированной воде с ультразвуком, используемых НП металлов, представлены на рис. 1 и 2.
Рис. 1. Фотографии электронного растрового микроскопа агрегированных (а) и отдельных наноразмерных (б) частиц НП алюминия Alex
x [|jm]
л v-.г dQÏ&ï —-
447 dQ3(i) — 497 фй]
X [|jm]
а) НП алюминия Alex б) НП железа
Рис. 2. Функции массового распределения агломерированных частиц по размерам исходных НП алюминия Alex (а) и железа (б)
В практической работе с НП Alex обнаружилось, что в период длительного хранения (~2 года) в закрытой емкости при нормальных условиях происходит образование агломерированных пористых микроразмерных частиц, состоящих из наночастиц алюминия покрытых оксидно-гидроксидным слоем (процесс образования происходит без плавления алюминия). Согласно данным измерения на анализаторе размера частиц (рис. 2) среднемассовый диаметр агрегированных частиц НП Alex составляет d43 = 21,0 мкм, НП железа - d43 = 6,1 мкм, что на порядок больше, чем размер отдельных наночастиц (рис. 1, б). Отметим, что агломерированные пористые частицы НП металлов имеют большую удельную площадь поверхности и высокую реакционную способность по сравнению с микронными порошками [8]. Согласно измерениям на БЭТ-анализаторе Nova 2200е в азоте удельная площадь поверхности НП алюминия Alex составляет 7,04 м /г, НП железа -1,08 м2/г. Кроме того, НП алюминия, полученный по технологии электрического взрыва проводников в различных газовых средах, при хранении адсорбирует до 5 масс. % газов, в основном водорода [8]. В предыдущих работах [2, 5, 7] при изготовлении смесевых образцов твердого топлива с помощью специальной технологии получали равномерное распределение частиц НП алюминия Alex в матрице смесевых образцов. В работе [11] показано, что в процессе изготовления смесевых топливных композиций с применением НП металлов и растворов полимеров окончательное формирование структуры композиционных материалов сопровождается перестройкой и изменением дисперсного состава металлических агломерированных частиц.
1.2. Зажигание СТТ
Исследование процесса зажигания составов СТТ осуществлялось с использованием установки лучистого нагрева на основе СО2-лазера непрерывного действия с длиной волны излучения 10,6 мкм и максимальной мощности 100 Вт (рис. 3). Перед опытом образцы СТТ нарезались на таблетки высотой 5 мм. При этом торцевая поверхность образцов визуально контролировалась на отсутствие пор, углублений и трещин. Образцы СТТ помещались в эбонитовый полый цилиндр высотой 10 мм для бронировки боковой поверхности и создания одномерного течения продуктов газификации.
Исследуемый образец (6) СТТ крепился к подложке измерителя величины реактивной силы (8) оттекающих от поверхности горения продуктов газификации. При открытии затвора (4) излучение фокусировалось линзой (5) из хлорида натрия на исследуемый образец СТТ (6). Сигналы от измерителя величины реактивной силы (8), фотодиодов (7) передавались через АЦП сигналов Ь-еагё Е-14-440 (9) и записывались в персональный компьютер (10), а затем обрабатывались с помощью программного приложения ЬОгарЬ2. Время задержки начала газификации ^ образца СТТ определяли по разности моментов изменения сигнала фотодиода (7) у затвора (или термопары, установленной перпендикулярно к оси лазерного луча после затвора) и измерителя величины реактивной силы (8). Фотодиод (7)
регистрировал момент открытия затвора (4), измеритель (8) регистрировал появление реактивной силы продуктов газификации оттекающих от торцевой (облучаемой) поверхности образца. Время задержки зажигания Х^ СТТ определяли по разности моментов времени изменения сигналов от фотодиодов (7), один из которых регистрировал появление пламени на торцевой поверхности образца. Относительная погрешность разброса данных времени задержки Х^ и Х^ составляла 5 - 12 % при величине доверительной вероятности 0,9. Мощность лазерного излучения, падающего на образец СТТ, измерялась с помощью термоэлектрического датчика (3). Определялось максимальное значение мощности излучения в центре лазерного луча.
1 - С02-лазер;
2 - полупрозрачное зеркало;
3 - измеритель мощности излучения;
4 - затвор;
5 - линза;
6 - образец СТТ;
7 - фотодиоды;
8 - измеритель реактивной силы;
9 - АЦП;
10 - ПК;
11 - тепловизионная камера
Рис. 3. Схема экспериментальной установки на основе С02-лазера
Величина реактивной силы оттока продуктов газификации с торцевой поверхности образца в процессе прогрева реакционного слоя, зажигания и горения СТТ определялась с помощью измерителя реактивной силы [9]. Предварительно осуществлялась его градуировка в вертикальном положении с помощью грузов определенной массы.
Измерение температурного поля на поверхности реакционного слоя исследуемых образцов СТТ проводили с помощью тепловизионной камеры марки Jade J 530 SB в инфракрасной области спектра 2,5 - 2,7 мкм с цифровой записью на персональном компьютере. Коэффициент излучения торцевой поверхности образцов СТТ измерялся на шаровом фотометре и составлял ~ 0,9. При обработке значений температур в программном комплексе Altair на ПК коэффициент излучения образцов принимался постоянным в период прогрева реакционного слоя и появления пламени СТТ. Погрешность измерения температур на торцевой поверхности образца составляла не более 10 % при частоте кадров 50 Гц.
1.3. Горение СТТ
Исследование влияния добавки НП железа на процессы горения СТТ осуществлялось в азоте при варьируемых избыточных давлениях в проточной бомбе постоянного давления с отбором конденсированных продуктов сгорания (рис. 4).
Образцы СТТ имели форму цилиндра диаметром 10 мм и высотой 20 - 30 мм. Боковая поверхность образцов бронировалась термостойким каучуком «солпрен» (сополимер стирена и бутадиена). При сгорании бронировки образовывались углеродистые частицы, содержание которых в КПС не превышало 1 масс. %. К заднему торцу бронированного образца СТТ приклеивалась подложка из оргстекла. На передний торец образца наносилась воспламенительная паста.
Образец СТТ (10), размещенный на подложке (11) с обтекателем (12), крепился к верхней крышке (3) с помощью трех спиц (4) и вставлялся в тонкостенный внутренний цилиндр (5), который размещался внутри проточного корпуса бомбы (1). Во время опыта
бомба постоянного давления непрерывно продувалась азотом, поступающим из баллона высокого давления через впускной вентиль (16). Верхняя крышка (3) снабжена впускным клапаном, который состоял из резиновой прокладки (13) прижатой к фторопластовой шайбе (14) и крышке (3) с помощью центрального винта (15). В исходном положении резиновый диск (13) закрывал отверстия (2) верхней крышки (3). При продувке бомбы азотом край резинового диска (13) отгибался и впускал газ внутрь цилиндра (5). При поджигании образца СТТ (10) нихромовой проволокой (9) давление во внутреннем цилиндре (5) повышалось, и впускной клапан запирался за счет прижатия резинового диска (13) к отверстиям (2) верхней крышки (3). При горении образца (10) газообразные и конденсированные продукты сгорания СТТ проходили через пакет металлических ситовых сеток (6) и аналитический аэрозольный фильтр (7) типа АФА-ХА, которые улавливали твердые частицы разных размеров. Использовались ситовые сетки с номинальными размерами ячеек 900, 500, 315, 160 и 80 мкм.
Проточная бомба постоянного давления снабжена манометром и датчиком давления типа ЛХ-412. Требуемые давление и расход газа устанавливали с помощью впускного 16 и выпускного 8 вентилей. Расход газа контролировали на выходе из бомбы с помощью ротаметра и трубки Вентури с и-образным манометром.
По записи кривой давления на осциллографе определяли время горения образца и затем рассчитывали линейную скорость горения СТТ.
После сжигания образца СТТ аналитические фильтры высушивали в комнатных условиях в течение суток для испарения конденсата, затем отделяли верхний слой с конденсированными частицами, растворяли его в ацетоне и объединяли с суспензией частиц КПС, полученной в результате промывки ацетоном пакета металлических сит. Суспензию фракционировали на ситах с размерами ячеек 1000, 500, 315 и 160 мкм. Ситовые фракции частиц после сушки взвешивали на аналитических полумикровесах с погрешностью не более 0,1 мг и проводили визуальный осмотр частиц с помощью электронного микроскопа 1ео1 6000 с целью выявления размера и типичных особенностей строения частиц. Затем ситовые фракции КПС для одинаковых образцов смешивали и проводили измерение массового распределения частиц по размерам на анализаторе размера частиц Апа^еИе 22 и фазового состава КПС на рентгеновском дифрактометре БЫтаё/и ХЯБ 6000.
1 - корпус бомбы;
2 - отверстия в крышке 3;
3 - верхняя крышка внутреннего цилиндра 5;
4 - спицы;
5 - тонкостенный внутренний цилиндр;
6 - пакет металлических ситовых сеток;
7 - аэрозольный фильтр типа АФА;
8 - выпускной вентиль;
9 - проволока поджига;
10 - образец СТТ;
11 - подложка;
12 - обтекатель;
13 - резиновый диск;
14 - фторопластовый диск-шайба;
15 - центральный винт;
16 - впускной вентиль
дав 01Й
Рис. 4. Конструкция проточной бомбы постоянного давления с отбором конденсированных продуктов сгорания СТТ
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 2.1. Зажигание СТТ
Определены значения времени задержки газификации и зажигания, температуры поверхности реакционного слоя, величины реактивной силы исследуемых составов СТТ в воздухе при нормальных условиях с использованием установки лучистого нагрева на основе СО2-лазера. Результаты измерения, полученные с помощью измерителя реактивной силы продуктов газификации, оттекающих от торцевой поверхности образцов СТТ (времена задержки газификации Хёа8 и воспламенения Х^, величина реактивной силы продуктов газификации Г), представлены на рис. 5. Зависимости времени задержки зажигания СТТ от плотности теплового потока излучения показаны на рис. 6.
а) б)
Рис. 5. Сигналы термопары (Т), фотодиода (Ph) и измерителя реактивной силы (F) оттока продуктов газификации в период зажигания и горения образцов СТТ с Alex (а) и Alex+Fe (б) при qmax = 65 Вт/см2
40 100 200 су, Вт/см2
Рис. 6. Время задержки зажигания СТТ от плотности теплового потока излучения
Установлено, что частичная замена Alex на порошок железа в составе смесевого твердого топлива приводит к снижению времени задержки зажигания в 1,3 - 1,9 раза в диапазоне плотности теплового потока 55 - 220 Вт/см2. Для образца СТТ, содержащего Alex, время задержки газификации tgas в 40 раз меньше, чем время задержки зажигания tign при максимальной плотности теплового лучистого потока в центре лазерного луча q = 65 Вт/см2.
Для образца СТТ, содержащего смесь НП Alex+Fe моменты времени начала газификации и зажигания совпадают. Частичная замена НП Alex на железо в составе СТТ приводит к увеличению времени задержки газификации в 25 раз и сокращению времени задержки зажигания в 1,6 раза, при этом реактивная сила оттока продуктов газификации с поверхности образца F увеличивается в 1,3 раза в период установившегося режима горения СТТ. В момент появления пламени осредненная по поверхности температура реакционного слоя образца Tig увеличивается на 22 - 32 % в диапазоне плотности теплового потока излучения q = 132 - 316 Вт/см2 (табл. 1).
Таблица 1
Температура поверхности реакционного слоя СТТ в момент появления пламени
q, Вт/см Температура поверхности реакционного слоя Tig, °С
Alex (образец 1) Alex+Fe (образец 2)
132 590 ± 50 720 ± 70
316 720 ± 80 950±110
2.2. Горение СТТ
Для оценки влияния добавки железа на энергетические характеристики СТТ и долю конденсированных веществ в продуктах сгорания, с использованием программы «ТЕРРА» проведены термодинамические расчеты равновесного состава продуктов сгорания исследуемых составов топлив, результаты которых представлены в табл. 2. Приведены значения энтальпии топлив I, адиабатической температуры горения Та^, равновесного показателя адиабаты к, относительной молекулярной массы газообразных продуктов сгорания ц для давления в камере сгорания рк = 4 МПа, а также коэффициент избытка окислительных элементов а (рассчитывался для системы в целом). Для газодинамической степени расширения потока рк1ра = 40:1 (давление на срезе сопла ра = 0,1 МПа) приведены значения скорости истечения газов w, удельного импульса J и массовой доли к-фазы г.
Таблица 2
Результаты термодинамического расчета
Образец Расчетные параметры
СТТ I, Т 1 ad k m a w, J, Zk, состав
кДж/кг K м/с м/с Za КПС
1, -2228 2561 1,19 17,0 0,422 2299 2519 0,263 Al2Û3 -
Alex 0,276 100 %
2, -2179 2477 1,20 17,5 0,424 2244 2455 0,237 Al2Û3 -
Alex+Fe 0,241 100 %
Результаты термодинамического расчета показали, что добавка железа в количестве 2 масс. % в составе СТТ приводит к снижению температуры горения, скорости истечения газов, удельного импульса и массовой доли к-фазы при указанных давлениях в камере сгорания и на срезе сопла.
Для сравнения проведены экспериментальные исследования процесса горения СТТ в проточной бомбе постоянного давления с отбором конденсированных продуктов сгорания. Получены значения линейной скорости горения и исследуемых составов СТТ при разных значениях давления азота (рис. 7). В табл. 3 представлены значения скорости горения и относительной массы конденсированных продуктов сгорания образцов тсср, равной отношению массы Мсср КПС к начальной массе образца СТТ Матр при давлении азота 3,9 МПа.
и, мм/с 20 у=5,43р0,51 у=8,27р0,43 -1, Alex - 2, Alex+Fe
15 J 2 ^ ¿о ^^Г
10 — 1
5 1 1 1
_I_I_I_I_
о 2 4 6 8 р, МПа
Рис. 7. Скорость горения СТТ в зависимости от давления
Таблица 3
Скорость горения и относительная масса конденсированных продуктов сгорания СТТ
в азоте при давлении 3,9 МПа
Образец СТТ u, мм/с mccp ^^ccpP-/Msamp
1, Alex 12,5 ± 0,4 0,25 ± 0,04
2, Alex+Fe 15,5 ± 0,2 0,19 ± 0,03
Установлено, что частичная замена НП алюминия Alex на порошок железа в составе СТТ приводит к уменьшению степенного показателя закона скорости горения с 0,51 до 0,43 и увеличению скорости горения с 7,5 до 11,7 мм/с при давлении 2,2 МПа и с 14,3 до 19,7 мм/с при давлении 7,5 МПа. При этом относительная масса конденсированных продуктов сгорания уменьшается с 0,25 до 0,19 при давлении 3,9 МПа.
2.3. Дисперсный и фазовый состав КПС
Фотографии электронного растрового микроскопа Jeol 6000 отобранных конденсированных продуктов сгорания исследуемых образцов СТТ представлены на рис. 8. Массовое распределение частиц КПС образцов СТТ по размерам, полученное на анализаторе размеров частиц Analysette 22 в дистиллированной воде с ультразвуком, показано на рис. 9. Вследствие объединения всех фракций КПС для одинаковых образцов СТТ, результаты измерений фактически соответствуют параметрам фракции частиц менее 160 мкм, поскольку эта фракция представляет основную массу КПС. Массовая доля фракции мельче 160 мкм составляла 0,95 и 0,94 всей массы КПС для с СТТ с Alex и Alex+Fe, соответственно.
Отметим, что частичная замена НП алюминия Alex на железо в составе СТТ приводит к уменьшению среднемассового диаметра частиц d43 КПС с 37,4 до 33,5 мкм.
Содержание аморфных фаз в образцах КПС образца 1 с Alex составляло 18 масс. %, образца 2 с Alex+Fe - 22 масс. %. Фазовый состав отобранных КПС исследуемых образцов СТТ без учета аморфных фаз, полученный с помощью рентгеновского дифрактометра Shimadzu XRD 6000, представлен в табл. 4. Установлено, что частичная замена НП Alex на железо в составе СТТ приводит к увеличению содержания оксида алюминия a-Al2O3 (корунда) на 2,3 масс. %, нитрида алюминия на 1,2 масс. % и нитрида углерода на 8,9 масс. %, к снижению содержания моноклинного оксида алюминия 9-Al2O3 на 12 масс. % и g-Al2O3 (тетрагона) на 0,5 масс. % за счет возможного увеличения температуры и, соответственно, скорости химических реакций в газофазной зоне горения СТТ и окисления частиц НП алюминия и железа на поверхности реакционного слоя образца.
Рис. 8. Фотографии электронного растрового микроскопа КПС образцов СТТ с Alex (а) и Alex+Fe (б)
■■ 668 dQ3(l) - 668 Q3(l)
X [um]
х [um]
а) б)
Рис. 9. Массовое распределение частиц по размерам отобранных КПС образцов СТТ с Alex (а) и Alex+Fe (б)
Фазовый состав отобранных КПС образцов СТТ
Таблица 4
Образец СТТ
Фазовый состав КПС, масс. %
а-ЛЬОз
e-AbO.
7-ЛЬОз
AlN
CN,
1, Alex
7 1
66 7
2 0
7 1
17 1
2, Alex+Fe
9,4
54,7
1,6
8,3
26,0
Таким образом, в результате комплексного экспериментального исследования характеристик зажигания и горения составов СТТ на основе ПХА и СКДМ-80 можно предположить, что частичная замена НП алюминия на порошок железа в количестве 2 масс. % приводит к увеличению температуры поверхности реакционного слоя и скорости оттока продуктов газификации с поверхности горения образца, а также градиента температуры и скорости химических реакций в газовой фазе за счет возможного дополнительного выделения тепла при взаимодействии термитной смеси нанопорошков Л1+Бе2О3 и каталитического эффекта [4], уменьшающего температуру начала высокотемпературного разложения перхлората аммония в реакционном слое смесевого твердого топлива.
ВЫВОДЫ
Исследовано влияние 2 масс. % добавки НП железа в состав смесевого твердого топлива на основе ПХА, бутадиенового каучука СКДМ-80, содержащего 15,7 масс. % НП алюминия Alex, на характеристики зажигания и горения топлив, а также состав конденсированных продуктов сгорания.
Установлено, что частичная замена Alex на порошок железа в составе смесевого твердого топлива приводит к снижению времени задержки зажигания в 1,3 - 1,9 раза в диапазоне плотности теплового потока 55 - 220 Вт/см и увеличению реактивной силы оттока продуктов газификации от поверхности горения образца с 3,3 до 4,2 мН, при этом температура поверхности реакционного слоя в момент появления пламени увеличивается на 22 - 32 %. Степенной показатель закона скорости горения уменьшается с 0,51 до 0,43, а линейная скорость горения увеличивается на 30 - 45 % в диапазоне давления азота в бомбе постоянного давления 2,0 - 7,5 МПа.
Анализ отобранных конденсированных продуктов сгорания показал, что добавка НП железа в состав СТТ уменьшает относительную массу конденсированных продуктов с 0,25 до 0,19 и среднемассовый диаметр частиц d43 с 37,4 до 33,5 мкм. При этом в конденсированных продуктах сгорания увеличивается содержание оксида алюминия a-Al2O3 на 2,3 масс. %, нитрида алюминия AlN - на 1,2 масс. % и нитрида углерода C3N4 - на 8,9 масс. %, снижается содержание моноклинного оксида алюминия q-Al2O3 на 12 масс. % и оксида алюминия y-Al2O3 - на 0,5 % за счет возможного увеличения градиента температуры и скорости химических реакций в газофазной зоне горения смесевого твердого топлива.
Работа частично поддерживалась РФФИ (проект № 15-03-04321 «Воспламенение и горение частиц комбинированного металлического горючего на основе алюминия и бора»
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Комарова М.В., Комаров В.Ф., Вакутин А.Г., Ященко А.В. Влияние наноразмерных биметаллических частиц на характеристики горения смесевого топлива // Ползуновский вестник. 2010. № 4-1. С. 112-116.
2. Архипов В.А., Коротких А.Г., Громов А.А., Кузнецов В.Т., Пестерев А.В., Евсеенко И.А. Влияние каталитических добавок порошков металлов на зажигание высокоэнергетических материалов // Известия вузов. Физика. 2011. Т. 54, № 11/3. С. 299-306.
3. Муравьев Н.В., Моногаров К. А., Мееров Д.Б., Орджоникидзе О.С., Пивкина А.Н., Фролов Ю.В. Влияние диоксида титана на горение октогена // Горение и взрыв. 2011. Т. 4, № 4. С. 225-228.
4. Бернер М.К., Зарко В.Е., Талавар М.Б. Наночастицы энергетических материалов: способы получения и свойства (обзор) // Физика горения и взрыва. 2013. Т. 49, № 6. С. 3-30.
5. Архипов В.А., Бондарчук С.С., Коротких А.Г., Кузнецов В.Т., Громов А.А., Волков С.А., Ревягин Л.Н. Влияние дисперсности алюминия на характеристики зажигания и нестационарного горения гетерогенных конденсированных систем // Физика горения и взрыва. 2012. Т. 48, № 5. С. 148-159.
6. Глотов О.Г., Ягодников Д.А., Воробьев В.С., Зарко В.Е., Симоненко В.Н. Воспламенение, горение и агломерация капсулированных частиц алюминия в составе смесевого твердого топлива. II. Экспериментальные исследования агломерации // Физика горения и взрыва. 2007. Т. 43, № 3. С. 83-97.
7. Архипов В.А., Коротких А.Г., Кузнецов В.Т., Раздобрев А.А., Евсеенко И.А. Влияние дисперсности порошка алюминия на характеристики зажигания смесевых композиций лазерным излучением // Химическая физика. 2011. Т. 30, № 7. С. 68-76.
8. Громов А. А., Ильин А.П., Хабас Т.А., Попенко Е.М., Коротких А.Г., Архипов В.А., Дитц А. А., Строкова Ю.И., Толбанова Л.О. Горение нанопорошков металлов. Томск : Дельтаплан, 2008. 382 с.
9. Архипов В.А., Кискин А.Б., Зарко В.Е., Коротких А.Г. Лабораторная методика измерения единичного импульса твердого ракетного топлива // Физика горения и взрыва. 2014. Т. 50, № 5. С. 134-137.
10. Архипов В.А., Ворожцов А.Б., Горбенко Т.И., Коротких А.Г., Савельева Л.А., Сакович Г.В. Способ получения смесевого твердого топлива // Патент РФ № 2429282, 2011. Бюл. № 26.
11. Комаров В.Ф., Комарова М.В., Ворожцов А.Б., Лернер М.И., Домашенко В.В. Процессы, протекающие в высокоэнергетических системах, содержащих наноразмерный алюминий и другие нанометаллы // Известия вузов. Физика. 2013. Т. 56, № 4. С. 3-7.
EFFECT OF IRON POWDER ON IGNITION AND COMBUSTION CHARACTERISTICS OF COMPOSITE SOLID PROPELLANTS
1'2Korotkikh A.G., 1Arkhipov V.A., 3Glotov O.G., 3Kiskin A.B., 3Zarko V.E.
1Research Institute of Applied Mathematics and Mechanics of Tomsk State University, Tomsk, Russia
2National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia
3Institute of Chemical Kinetics and Combustion of SB RAS, Novosibirsk, Russia
SUMMARY. Effect of 2 wt. % iron nanopowder additive in the composition of composite solid propellants, containing 15.7 wt. % of aluminum nanopowder Alex, on the ignition and combustion characteristics of propellants and also on the composition of condensed combustion products was studied. It was found that partial replacement Alex by iron nanopowder in the composition of composite solid propellants leads to the decrease of the ignition delay time 1.3 - 1.9 times in the range of the heat flux density 55-220 W/cm2 and to the increase of the reactive force of gasification products outflow from the burning surface of sample by 27 %, while the surface temperature of reaction layer is increased by 22 - 32 % at the moment of flame appearance. Law exponent of the burning rate is reduced from 0.51 to 0.43 and the burning rate is increased to 30 - 45 % in the range of nitrogen pressure in a constant pressure bomb 2.0 - 7.5 MPa. The analysis of the selected combustion products has shown that an additive of iron nanopowder decreases the relative mass of k-phase from 0.25 to 0.19. At the same time the content of aluminum oxide a-Al2O3, aluminum nitride AlN and carbon nitride increases and the content of monoclinic aluminum oxide 0-Al2O3 decreases due to the possible increase of the temperature gradient and the rate of chemical reactions in the gas phase combustion zone of composite solid propellant.
KEYWORDS: composite solid propellants, aluminum powder, iron, ignition delay time, laser radiation, impulse of reactive force, burning rate, condensed combustion products.
Коротких Александр Геннадьевич, доктор физико-математических наук, доцент, старший научный сотрудник НИИ ПММ ТГУ, доцент энергетического института НИ ТПУ, тел. (3822)701-777, е-mail: [email protected]
Архипов Владимир Афанасьевич, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий отделом НИИ ПММ ТГУ, тел. (3822)529-656, е-mail: leva@niipmm. tsu. ru
Глотов Олег Григорьевич, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией ИХКГ СО РАН, тел. (383) 330-4847, e-mail: [email protected]
Кискин Александр Борисович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИХКГ СО РАН, e-mail: kiskin@kinetics. nsc. ru
Зарко Владимир Егорович, доктор физико-математических наук, профессор, ведущий научный сотрудник ИХКГ СО РАН, тел. (383) 333-2292, e-mail: zarko@kinetics. nsc. ru
