Кубота Н. Твердые ракетные топлива и взрывчатые вещества

Подождите немного. Документ загружается.

381

ется в качестве основного заряда воспламенителя, воспламенение не происходит и

горение топлива также не осуществляется. Однако, когда применяется пиролант

на основе НП-никель, то двухосновное топливо НЦ-НГл воспламеняется и в ка-

мере сгорания повышается давление. Профили давления и затухания света вос-

пламенителей на основе бор-KNO

и НП-никель без зарядов твердого ракетного

топлива показаны на рис. 12.5 и 12.6, соответственно.

Рис. 12.4. Экспериментальная установка для измерения дыма и пламени

382

Рис. 12.5. Затухание света и профиль давления при срабатывании

воспламенителя БК (бор-KNO

)

Рис. 12.6. Затухание света и профиль давления при срабатывании

воспламенителя НП-никель

Очевидно, что затухание света воспламенителя НП-никель ниже, чем в слу-

чае воспламенителя бор-нитрат калия. Результаты показывают, что намного

меньше дыма генерируется зарядом на основе НП-никель, чем зарядом на основе

бор-нитрат калия. Результаты испытаний и профили

давлений и затухания света с

топливными зарядами представлены на рис. 12.7 и 12.8. Не имеется четкого раз-

личия в задержках воспламенения и в процессах нарастания давления в ракетном

двигателе при использовании двух типов воспламенителей В-KNO

и НП-никель.

383

Однако затухание света резко уменьшается, когда воспламенитель на основе со-

става В-KNO

заменяется на воспламенитель из состава НП-никель. Не имеется

особенных различий в результатах измерения затухания между измерениями с

помощью источника видимого света и лазера-СО

Рис. 12.7. Профили затухания света и давления при воспламенении заряда в

микроракетном двигателе с воспламенителем из состава бор-нитрат калия

Рис. 12.8. Затухание света и профили давления при воспламенении заряда в

микроракетном двигателе с воспламенителем из состава НП-никель

На рис. 12.9 приведены результаты измерений затухания света в зависимо-

сти от массы заряда воспламенителей из составов бор-нитрат калия (БК) и НП-

никель с топливными зарядами в ракетном двигателе. Хотя затухание увеличива-

ется с увеличением массы заряда воспламенителя из составов БК и НП-никель,

384

однако затухание в случае воспламенителя из составов НП-никель намного ниже,

чем у воспламенителя БК при одной и той же массе заряда воспламенителя.

Рис. 12.9. Затухание света за счет дыма из воспламенителей БК и НП-

никель, показывающее, что воспламенитель из состава НП-никель производит

меньше дыма, чем воспламенитель из состава БК

12.6 Характеристики дыма и пламени ракетных

двигателей

12.6.1 Бездымные составы и составы с уменьшенным

дымообразованием

Так как нитроцеллюлоза является обогащенным горючим нитроэфиром, то

нитрополимерное топливо с высоким содержанием нитроцеллюлозы генерирует

черный дым в качестве продукта сгорания. Кроме этого, горение нитрополимер-

ных топлив становится неполным при низких давлениях (ниже 3 МПа) и при этом

образуется черный дым из частиц твердого углерода. Это неполное сгорание вы-

зывается медленными скоростями

реакций NO с альдегидами и СО в волне горе-

ния. Таким образом, нитрополимерные топлива уже не являются бездымными то-

пливами в условиях горения при низком давлении.

Если нитрополимерное топливо состоит из стехиометрически сбалансиро-

ванных ингредиентов, то продукты сгорания, истекающие из сопла ракеты, обра-

зуют пламя, которое является бездымным и показывает очень

низкую видимую

эмиссию. Однако реактивная струя становится желтоватой, если нитрополимер-

ное топливо обогащается горючим. Это желтоватое пламя вызывается дожигани-

ем частиц углерода, образующихся в камере сгорания. Частицы углерода горят на

воздухе, который диффундирует в реактивную струю из атмосферы. Диффузион-

385

ное смешение истекающих продуктов сгорания из сопла образует диффузионное

пламя. За счет этого дожигания горение завершается образованием СО

, Н

О и N

по ходу перемещения реактивной струи. Поэтому следа дыма не видно по траек-

тории перемещения ракеты. На рис. 12.10 (а) показаны типовые траектории поле-

та ракеты с зарядом из нитрополимерного топлива.

Если смесевое твердое топливо, состоящее из ПХА и углеводородного по-

лимера, горит в ракетном двигателе, то в этом случае основными продуктами

сго-

рания являются HCl, CO

, H

O и N

и также образуется небольшое количество ра-

дикалов, таких как •OH, •H и •CH. Эти продукты являются бездымными по при-

роде, и образование частиц углерода не наблюдается. Реактивная струя испускает

слабый видимый свет, но дожигания не происходит, потому что смесевые топлива

на основе ПХА являются стехиометрически сбалансированными смесями и диф-

фузионные пламена не образуются.

Рис. 12.10. Траектории полета ракеты с использованием зарядов из

а) двухосновного топлива НЦ-НГл и b) алюминизированного смесевого топлива

Молекулы HCl образуют видимый белый туман, если пары воды присутст-

вуют в атмосфере. Молекула HCl является ядрообразующим центром, окружен-

ным молекулами H

O, который образует каплю тумана, достаточно большую и

видимую. Когда продукты сгорания смесевого твердого топлива на основе ПХА

истекают из сопла ракетного двигателя в атмосферу, то виден след белого дыма

по траектории полета ракеты повсюду, где относительная влажность воздуха пре-

вышает 40%. Кроме того, если температура атмосферы ниже 0°С (ниже 273 К),

386

молекулы воды, образующиеся в продуктах сгорания, создают белый туман с мо-

лекулами HCl, даже если относительная влажность менее 40%. Таким образом,

количество белого тумана, образующегося при горении смесевых твердых топлив

на основе ПХА, зависит не только от влажности, но также от температуры и дав-

ления атмосферы.

В общем, смесевые топлива на основе ПХА

для увеличения их удельного

импульса в качестве горючего компонента содержат частицы алюминия, которые

реагируют с компонентами окислителя в соответствии с реакцией:

2Al + 3/2 O

→ Al

и 2Al + 3H

O → Al

+ 3H

и в результате образуется окись алюминия (Al

). Этот процесс окисления имеет

место на поверхности каждой частицы алюминия в жидкой и/или твердой фазе.

Большое число частиц алюминия агломерирует, образуя крупные частицы окиси

алюминия с диаметром порядка от 0,1 до 1 мм. Когда эти частицы диспергируют-

ся из сопел в атмосферу, образуется плотный белый дым по следу полета ракеты.

общем, массовая доля частиц алюминия, содержащихся в составах высокоэнер-

гетических смесевых твердых топлив, колеблется в диапазоне от 0,10 до 0,18 и

большинство их белого дыма вызывается диспергированием частиц окиси алю-

миния в атмосфере. На рис. 12.10 (b) показан типичный дымовой след ракеты с

зарядом из алюминизированного смесевого твердого топлива.

Смесевые топлива на основе ПХА без

частиц алюминия называются топли-

вами с уменьшенным дымообразованием и применяются в тактических ракетах,

чтобы замаскировать место запуска и траекторию полета ракеты. Видимого дыма

не образуется, когда относительная влажность атмосферы менее 40%. Однако, так

как имеется тенденция к возникновению высокочастотных колебаний при горе-

нии в камере сгорания при отсутствии твердых частиц, которые

выполняют

функции по поглощению колебательной энергии, то для получения топлив с

уменьшенным дымообразованием все же требуется массовая доля 0,01-0,05 ме-

таллических частиц. Эти частицы и/или частицы их окислов генерируют весьма

тонкие дымовые следы. След белого дыма включает белый туман, генерируемый

молекулами HCl и парами конденсированной воды во влажной атмосфере.

AGARD выполнила классификацию

дыма, основанную на количестве первичного

и вторичного дыма.

Рис. 12. Классификация дыма по AGARD

387

АА означает минимальный дым, АС соответствует уменьшенному дымообразова-

нию и СС относится к сильному дыму.

Количество первичного дыма измеряется за счет передачи облака реактив-

ной струи, определяемой по следующей зависимости:

()

⎭

⎬

⎫

⎩

⎨

⎧

⋅−−=

∑

SGiNiMpiAGARDP /%exp1

Если AGARDP ≤ 0,35 → классификация "А"

Если AGARDP ≤ 0,9 → классификация "В"

Если AGARDP > 0,9 → классификация "С"

В отличие от первичного дыма, определяемого конденсированной фазой,

вторичный дым является более сложным, так как зависит от присутствия HCl и

O в реактивной струе. Он связан с порогом относительной влажности для кон-

денсации в результате насыщения. Вторичный дым определяется исходя из сле-

дующей зависимости:

(

)

16589,0100

⋅−=

общокр

fKRH ,

HFHClOHобщ

ffff ++=

Если 90% <

окр.

< 100% → Классификация "А"

Если 55% <

окр.

< 90% → Классификация "В"

Если

опр.

< 55% → Классификация "С"

где

RH – относительная влажность;

Mpi – массовая доля конденсирующихся i – химических веществ;

Ni – оптические свойства i – химических веществ;

SGi – удельная плотность i – химических веществ;

окр.

– относительная влажность в состоянии насыщения;

К – коэффициент снижения (депрессии) насыщения;

f – молярная доля.

Иногда оценивается риск образования кислотного облака (кислотных дож-

дей). Здесь было предложено несколько условий:

RH < RH

крит

E < 2 ppm (концентрация паров HCl)

t ≥ tp + 40 с.

12.6.2 Подавление реактивной струи

Дожигание имеет место, когда продукты сгорания твердых топлив истекают

из сопла в атмосферу [11-13]. Так как продукты сгорания, выбрасываемые из со-

пла, обогащены горючим, содержащим СО, Н

, С

(тв.)

и/или частицы расплавленно-

го металла, то эти газы и частицы мгновенно воспламеняются и сгорают при сме-

шении с окружающим воздухом с образованием пламени при дожигании, то есть

реактивной среды. Различные проблемы возникают в результате образования

пламени при дожигании, такие как инфракрасное излучение, свечение и иониза-

388

ция молекул, присутствующих по периферии пламени. Это дожигание является

доминирующим в энергетике твердых топлив и зависит от аэродинамического

процесса смешения в атмосфере [11].

Ракетное сопло включает 2 участка: сужения и расширения. Скорость тече-

ния в камере сгорания увеличивается от дозвуковой в сужающейся части сопла до

звуковой скорости в критическом сечении сопла, до сверхзвуковой

скорости в

расширяющей части (раструбе) сопла. Скорость потока достигает максимума на

выходе из сопла. С другой стороны, температура и давление в камере сгорания

уменьшаются последовательно по направлению потока в сопле и достигает мини-

мальных значений на выходе из сопла. Температура продуктов сгорания в сопле

изменяется по мере изменения коэффициента расширения

площади в сопле ε, где

ε = A

; где А

– площадь выходного сечения сопла, а A

– площадь критическо-

го сечения сопла. Два типа потоков (течений) в сопле, как полагают, определяют

химические составы продуктов сгорания в направлении истечения: равновесный

поток и замороженный поток. В случае равновесного потока химический состав

газообразных продуктов сгорания в сопле изменяется с изменением давления и

температуры. В случае замороженного потока химическая реакция не

происходит

в сопле и поэтому химический состав остается неизменным при течении через со-

пло, температура продуктов сгорания уменьшается в адиабатическом расширяю-

щемся потоке.

На рис. 12.11 показана структура реактивной струи, создаваемой при исте-

чении через сопло.

Рис. 12.11. Определение первичного и вторичного пламен в реактивной струе

Реактивная струя состоит из первичного и вторичного пламени [11]. Пер-

вичное пламя образуется выходящими продуктами сгорания из ракетного двига-

теля без влияния окружающей атмосферы. Первичное пламя состоит из наклон-

ных ударных волн и волн расширения в результате взаимодействия с атмосфер-

ным давлением.

Структура зависит от коэффициента расширения сопла, как опи-

сано в приложении С. Поэтому диффузионное смешение с окружающим воздухом

происходит в первичном пламени. Вторичное пламя образуется при смешении ис-

текающих из сопла продуктов сгорания с окружающим воздухом. Размеры вто-

ричного пламени зависят не только от газообразных продуктов сгорания, выте-

389

кающих из сопла, но и от коэффициента расширения сопла. Нитрополимерное

твердое топливо, состоящее из

НЦ

(0,466),

НГ

(0,369), ξ

ДЭФ

(0,104), ξ

этилцентралит

(0,029) и

стеарат Pb

(0,032), используется в качестве эталонного топлива для опреде-

ления эффекта подавления реактивной струи. Характеристики скорости горения

твердых ракетных топлив представлены на рис. 6.31. Так как нитрополимерное

топливо обогащено горючим, то газообразные продукты при истечении образуют

с окружающим воздухом горячую газообразную смесь, которая воспламеняется, и

происходит процесс дожигания на некотором расстоянии после выхода

из сопла.

Основными продуктами сгорания в камере сгорания являются СО, Н

, СО

, N

O, горючими компонентами СО и Н

, мольные доли которых в критическом се-

чении сопла составляют

СО

(0,47) и

(0,24).

12.6.2.1 Влияние подавления химической реакции

Соли калия, как известно, действуют как подавители самопроизвольного

воспламенения и образования углеводородных пламен, возникших за счет взаим-

ной диффузии с окружающим воздухом. Сообщалось, что соли калия действуют в

качестве замедлителей химической реакции в пламенах нитрополимерных твер-

дых топлив. Два типа солей калия используются для подавления реактивной

струи: нитрат калия (KNO

) и сульфат калия (K

). Концентрация солей обычно

варьируется для определения их области эффективности как подавителей реак-

тивной струи.

На рис. 12.12 показан типичный ряд фотографий нитрополимерного твердо-

го топлива, обработанного нитратом калия.

Рис. 12.12. Фотографии пламе-

ни реактивных струй, показываю-

щие, что размеры вторичного пла-

мени уменьшаются с увеличением

концентраций KNO

390

Фотографии свидетельствуют о влиянии концентрации KNO

от 0,68 до

1,14% на величину вторичного пламени. Каждый их этих экспериментов был вы-

полнен при одних и тех же условиях: давлении в камере сгорания 8,0 МПа и ко-

эффициенте расширения сопла 1,0. Хотя наблюдается небольшое влияние на пер-

вичное пламя, однако вторичное пламя, несомненно, уменьшается при добавле-

нии подавителя пламени. Вторичное пламя почти

полностью подавляется при до-

бавлении 1,14% KNO

. Сопло, используемое здесь, состоит лишь из сужающейся

части, то есть выход сопла находится в области критического сечения.

На рис. 12.13 показан размер зоны вторичного пламени как функции кон-

центрации KNO

при давлении в камере сгорания 4 МПа с D

= 5 мм и коэффици-

ентами расширения сопла ε = 6,3 и 11,7. Четкого различия для различных величин

ε не видно. Очевидно, что зона сжимается с увеличением концентрации KNO

увеличением массовой доли атомов калия, содержащихся в топливе.

Рис. 12.13. Уменьшение (усадка) зоны вторичного пламени за счет подавления

ее при вводе KNO

при ε = 6,3 и 11,7

На рис. 12.14 показана величина зоны вторичного пламени как функции

концентрации K

при давлении в камере сгорания 4 МПа с D

= 5 мм и ε = 1.

Подобно KNO

, K

является эффективным подавителем пламени. Длина вто-

ричного пламени укорачивается по мере того, как

()

SOK

или ξ(

) увеличивается.