Кубота Н. Твердые ракетные топлива и взрывчатые вещества

Подождите немного. Документ загружается.

201

при низком давлении, при котором скорость горения уменьшалась, а толщина ре-

акционной зоны (зоны реакции) увеличивалась. На рис. 7.3 показаны уменьшен-

ные скорости горения трех СТРТ на основе ПХА-НТРВ при низких давлениях

(< 0,1 МПа) [3]. Химические составы топлив приведены в таблице 7.1. Скорость

горения топлива

ПХА

ξ (0,86) выше, чем топлива с

ПХА

ξ (0,80) при постоянном

давлении. Показатели степени в законе скорости горения – 0,62 и 0,65 в случае

топлив с

(0,86) и

(0,80), соответственно, т.е. скорость горения представлена в

виде зависимости

r∼р

0,62

в случае топлива с

ПХА

ξ (0,86) и r∼р

0,65

для топлива с

ПХА

ξ (0,80).

Таблица 7.1. Химические составы топлив на основе ПХА-НТРВ

Топливо

НТРВПХА

ξξ /

ПХА (с) ПХА (f) НТРВ

, К

А 0,86/0,14 0,43 0,43 0,14 2680

В 0,84/0,16 0,42 0,43 0,16 2480

С 0,80/0,20 0,40 0,40 0,20 2310

НТРВ: С

7,057

10,647

0,223

0,063

ПХА(с): d

= 200 мкм; ПХА (f): d

= 20 мкм

: адиабатическая температура пламени при давлении 0,1 МПа.

На рис. 7.4 показаны фотографии пламени топлива с

ПХА

ξ (0,86), приведен-

ного в таблице 7.1, при давлениях 0,07 (а) и 0,1 (b) МПа.

Рис. 7.4. Фотографии пламени СТРТ на основе ПХА-НТРВ

при низких давлениях:

Массовая доля

р, r,

ПХА НТРВ МПа мм/с

(а) 0,86 0,14 0,07 1,2

(b) 0,86 0,14 0,10 1,5

(с) 0,80 0,20 0,10 1,0

На поверхности горения образуется голубоватое пламя, толщина которого

уменьшается с увеличением давления. Зависимость между толщиной голубовато-

202

го пламени

δ и давлением р может быть представлена как

δ ~ р

0,60

: 0,5 мм при

0,02 МПа и 0,2 мм при 0,1 МПа. Красноватое пламя видно выше голубоватого

пламени. С другой стороны, ни красноватого, ни голубоватого пламени не видно,

когда топливо с

ПХА

(0,80) горит при давлении 0,1 МПа, как показано на рис. 7.4

(с). Пламя является полностью желтоватым, что вызывается обогащенным горю-

чим диффузионным пламенем, генерируемым газообразными продуктами разло-

жения связующего и частиц ПХА [8]. Фактически, температура пламени топлива

ПХА

(0,86) выше, чем топлива с ξПХА (0,80), как показано в табл. 7.1. Так как фо-

тографии пламени выполнены с относительно продолжительными временами вы-

держки (1/60 с), то толщина голубоватого пламени, по-видимому, является усред-

ненной во времени величиной многочисленных пламен диффузионного типа, ко-

торые генерируются газообразными продуктами разложения связующего и частиц

ПХА.

Итоговый (результирующий)

порядок химической реакции в реакционной

зоне определяется исходя из данных

δ . Этот порядок реакции m соотносится с

показателем степени в законе скорости горения

n , как описано в разделе 3.5:

dmn

pp =∝

−

δ , (3.70)

где

d – показатель (экспонента) давления в реакции в газовой фазе. Исходя из

данных, приведенных на рис. 7.5,

d = –0,60, а исходя из данных, приведенных на

рис. 7.3,

n = 0,62. Этот порядок реакции приблизительно равен порядку реакций в

зоне пламени углеводород/воздух. Результирующий порядок химической реакции

в темной зоне двухосновных РТ примерно 2,5.

Рис. 7.5. Толщина реакционной зоны как функция давления для СТРТ

на основе ПХА-НТРВ при низких давлениях

203

Тепловой поток, передаваемый в обратном направлении из газовой фазы к

поверхности горения, зависит от температурного градиента в газовой фазе, так

как температурный градиент является обратно пропорциональным толщине реак-

ционной зоны в газовой фазе. Так как реакция в газовой фазе завершается в верх-

нем конце голубоватого пламени, то тепловой поток, определяемый как

ΙΙΙ

, пока-

занный на рис. 5.5, пропорционален Λ

ΙΙΙ

~ 1/δ

~ р

0,60

. Наблюдаемая зависимость

скорости горения от давления

r ~ р

0,62

вызвана зависимостью скорости реакции от

давления в зоне голубоватого пламени [8].

7.1.1.2 Структура волны горения РТ на основе ПХА с высоким

содержанием окислителя

Если содержание связующего (BDR) в СТРТ на основе ПХА-НТРВ меньше

чем стехиометрическое отношение, то скорость горения увеличивается с увеличе-

нием

(BDR), как показано на рис. 7.6 [8].

Рис. 7.6. Зависимость между скоростью горения и содержанием ξ(BDR) в

топливах на основе ПХА-НТРВ с высоким содержанием окислителя при давлении

3,5 МПа

Скорость горения топлива

BDR

ξ (0,80) показана на рис. 7.7. Частицы ПХА,

смешенные со связующим, являются трехразмерными: крупного размера (диамет-

ром 400 мкм) 60%, среднего размера (диаметром 200 мкм) 20% и маленького раз-

мера (диаметром 10 мкм) 20%. Скорость горения определяется по формуле

66,0

30,4 pr = (3.71)

204

На рис. 7.8 показаны температурные профили [зависимость между темпера-

турой (К) и временем горения (с)] в волнах горения этого топлива при давлениях

0,0355 и 0,0862 МПа. Из рисунка видно, что при этих давлениях температура до-

вольно плавно (равномерно) повышается в конденсированной фазе, тогда как в

газовой фазе наблюдается скачкообразное повышение. Однако скорость повыше

ния температуры при давлении 0,0862 МПа значительно выше, чем при давлении

0,0355 МПа.

Исходя из результатов измерений температурных профилей был сделан

анализ процесса теплопереноса в волну горения на основе упрощенной модели,

Рис. 7.7. Скорость горе-

ния топлива на основе

ПХА-НТРВ с высоким со-

держанием окислителя с

НТРВ

ξ (0,08) в диапазоне

низких давлений

Рис. 7.8. Температурные

профили в волнах горения при

давлениях 0,0862 и 0,0355 МПа

205

показанной на рис. 7.9. Волна горения делится на три зоны: 1) зона теплопровод-

ности в твердой фазе; 2) подготовительная зона в газовой фазе (несколько выше

поверхности горения) непосредственно над поверхностью горения (I); 3) зона эк-

зотермической реакции (II). На рис. 7.10 графически показана зависимость между

температурой поверхности горения

T , начальной температурой реакции в газо-

вой фазе между зонами I и II

T и давлением.

Рис. 7.9. Поток теплоты и теплота реакции в газовой и конденсированной

фазах для топлива на основе ПХА-НТРВ с высоким содержанием окислителя при

давлениях ниже 0,1 МПа

Рис. 7.10. Температур

поверхности горения

T и

температура пламени А/РА

T как функция давления

ниже 0,09 МПа

206

Тепловой баланс на поверхности горения, т.е. на поверхности раздела меж-

ду твердой фазой и зоной I, представлен как

()()

rQdxdTdxdT ρλλ

+−

// (3.72)

() ()

III

rQdxdTdxdT ρλλ

, (3.73)

где

λ – теплопроводность, ρ – плотность, Q – теплота реакции. Значения под-

строчного индекса следующие:

g = газовая фаза, р = твердая фаза, s = поверхность

горения,

s– = поверхность горения в твердой фазе, s+ = поверхность горения в га-

зовой фазе,

f = поверхность раздела между зонами I и II. Поскольку толщина зоны

является слишком тонкой, чтобы ее измерить точно, то допускают, что

()()()

IIIIs

dxdTdxdTdxdT ///

. Температурные градиенты

()

dxdT /

()

dxdT /

показаны на рис. 7.11. На основании данных для

()()

III

dxdTdxdTTTr /,/,,, определяют Q

и Q

, используя уравнения (3.72) и

(3.73), соответственно. Теплота реакции на поверхности горения

имеет отрица-

тельное значение, учитывающее теплоту, израсходованную на разложение ПХА и

НТРВ, в том числе реакцию

4344

HClONHClONH

→ . Теплота реакции в газо-

вой фазе, реакции на поверхности раздела между зонами I и II

имеет положи-

тельное значение, как показано на рис. 7.12, которое учитывает теплоту реакции

2243

OHClOHNOHClONH +++→→ . Обратный перенос теплоты из зоны II

в зону I представлен как

()

67,04

1071,1/ pdxdT

×=λ (3.74)

Рис. 7.11. Потоки теплоты в

зоны I и II как функции давления

в диапазоне низких давлений

207

Этот поток тепла определяет скорость горения (ур. 3.71) в зоне низких дав-

лений, как показано на рис. 7.7.

7.1.2 Характеристики скорости горения

7.1.2.1 Влияние размера частиц ПХА

Рис. 7.13. Влияние размера

частиц ПХА (бимодальных) н

скорость горения

Рис. 7.12. Теплоты реак-

ций на поверхности горения

(

) и в газовой фазе на по-

верхности раздела между зо-

нами I и II (

)

208

На рис. 7.13 показано влияние размера частиц ПХА на скорость горения [3].

Топлива состоят из 80 % ПХА

ξ (ПХА = 0,80) и 20 % НТРВ по массе

ξ (НТРВ = 0,20). Использовался двухфракционный ПХА с частицами достаточно

больших размеров в соотношении 350 мкм/200 мкм = 4/3 и с частицами неболь-

ших размеров в соотношении 15 мкм/3 мкм = 4/3. Скорость горения топлива с бо-

лее мелким ПХА более чем в двое больше, чем у топлива с более крупным ПХА.

Показатель степени в законе скорости горения составляет 0,47

для ПХА с боль-

шим размером частиц и 0,59 – для мелких частиц ПХА.

Рис. 7.14. Влияние размера частиц ПХА (мономодальных) на

скорость горения

На рис. 7.14 показано влияние размера частиц ПХА на скорость горения

СТРТ с однофракционным ПХА [3]. Скорость горения увеличивается по мере

уменьшения размера частиц ПХА

. Однако влияние размера частиц на скорость

горения уменьшается по мере увеличения давления. Хотя топлива, показанные на

рис. 7.14, являются топливами с высоким содержанием горючего с

ξ(ПХА) = 0,65,

влияние размера частиц ПХА на скорость горения очевидно.

7.1.2.2 Влияние связующего

Скорости горения СТРТ на основе ПХА зависят не только от размера час-

тиц ПХА, но также и от связующего, использованного в качестве горючего ком-

понента. Имеется много видов связующих, отличающихся физико-химическими

свойствами, как описано в разделе 4.2. Удельный импульс также зависит от типа

связующего и массовой доли его

ξ (ВDR) при смешении с частицами ПХА. На

рис. 7.15 показано влияние

ξ (BDR) на удельный импульс

I в случае использо-

вания связующих PB, PU и PА. Можно увидеть, что относительно высокий удель-

ный импульс

I сохраняется при высокой массовой доле в случае PU. Это можно

объяснить содержанием кислорода в PU в противоположность отсутствию кисло-

209

рода в PB или PA. На рис. 7.16 показано влияние

НТРВ

ξ на скорость горения топ-

лив на основе ПХА-НТРВ. Скорость горения увеличивается с уменьшением

НТРВ

при давлении 1 МПа. При уменьшении

НТРВ

с 0,20 до 0,14 адиабатическая

температура пламени снижается с 2300 до 2700 К.

Рис. 7.15. Влияние типа свя-

зующего на

I как функция

ξ (ВDR)

Рис. 7.16. Влияние

НТРВ

на скорость горения и адиа-

батическую температуру

пламени топлив на основе

ПХА-НТРВ

210

Для получения СТРТ на основе ПХА используют различные типы связую-

щих. Такие связующие как НТРВ и НТРЕ разлагаются эндотермически или экзо-

термически на поверхности горения. Поэтому скорость горения СТРТ на основе

ПХА зависит от термохимических свойств использованных связующих. На рис.

7.17 и 7.18 показаны графики зависимости между 1n

r и ln p для СТРТ на основе

ПХА, изготовленных с использованием пяти различных типов связующих: НТРВ,

НТРЕ, НТРО, НТРА и PS. Эти СТРТ на основе ПХА содержат

ПХА

ξ (0,80),

BDR

(0,20) и бимодальный ПХА с диаметром частиц 200 и 20 мкм в соотношении ком-

понентов смеси 56:24. Скорость горения в значительной степени зависит от ис-

пользованного связующего. Высокую скорость горения в диапазоне низких дав-

лений (< 1 МПа) получают тогда, когда в качестве связующего используют НТРА

или РS. Скорость горения топлива с НТРО удваивается, когда это

связующее за-

меняют другим (НТРА). Однако показатель степени в законе скорости горения

для всех топлив находится между 0,3 и 0,5. Когда давление горения повышается

за пределы 3 МПа, скорость горения топлива с НТРЕ вначале становится зависи-

мой от давления-плато-горения, а затем давление оказывает отрицательное влия-

ние на скорость горения, т.е.

при давлении 8 МПа наблюдается меза-горение.

Выше этого значения давления горение прерывается. Подобные характеристики

скорости горения наблюдались и в случае использования связующего НТРО. Та-

ким образом установили, что связующее влияет не только на скорость горения, но

также и на показатель степени в законе скорости горения в зоне высоких давле-

ний.

Рис. 7.17. Влияние связующего на скорость горения в диапазоне

низких давлений