Кубота Н. Твердые ракетные топлива и взрывчатые вещества

Подождите немного. Документ загружается.

391

Рис. 12.15. Уменьшение зоны

вторичного пламени при его по-

давлении вводом K

при ε = 4

Рис. 12.14. Уменьшение

(усадка) зоны вторичного пламе-

ни при подавлении вводом K

при ξ = 1

392

На рис. 12.15 показана величина зоны вторичного пламени как функции

концентрации K

при давлении в камере сгорания 12 МПа с D

= 9,3 мм и

ε = 4. На рис. 12.16 показано распределение температуры вдоль центральной оси

перемещения продуктов сгорания, измеренное посредством термопар, располо-

женных соответствующим образом, при условиях, соответствующих данным на

рис. 12.15. Температура уменьшается как с увеличением расстояния от выхода

сопла, так и с увеличением

()

SOK

на одном и том же расстоянии от сопла. Важ-

но отметить, что температура продуктов сгорания уменьшается при добавлении

. Она уменьшается с 910 до 700 К при добавлении 2% K

. Эта темпера-

тура уменьшается в достаточной степени, чтобы ингибировать воспламенение пе-

ремешанной (взаимно диффундирующей) смеси продуктов сгорания и окружаю-

щего воздуха, тем самым предупреждая возникновение вторичного пламени.

Рис. 12.16. Температура вдоль траектории течения выхлопных газов из сопла и

влияние концентрации K

12.6.2.2 Влияние расширения сопла

На рис. 12.17 показан ряд фотографий пламени при дожигании, получаемо-

го, когда нитрополимерное твердое топливо без подавителя реактивной струи го-

рит в камере сгорания, и продукты сгорания истекают через сопло в окружающий

воздух. Физическая форма светящегося пламени изменяется значительно при из-

менении степени расширения сопла. Температура продуктов сгорания на выходе

из сопла

уменьшается, и скорость потока на выходе из сопла растет с увеличени-

ем ε при постоянном давлении в камере сгорания.

393

Рис. 12.17. Фотографии пламени реактивных струй, показывающих, что

размеры вторичного пламени уменьшаются по мере увеличения коэффициента

расширения сопла

Если используется сужающееся сопло, то есть поток продуктов сгорания

выходит из сопла со звуковой скоростью, происходит дожигание и образуется от-

носительно большое вторичное пламя [11]. Если раструб крепится к горловине

сопла, так что коэффициент

расширения ε увеличивается, то температура продук-

тов сгорания на выходе из сопла уменьшается и скорость потока увеличивается

из-за процесса адиабатического расширения. Однако температура продуктов сго-

рания имеет тенденцию увеличиваться или уменьшаться за счет образования "ал-

мазного" направленного потока при выходе из сопла, как показано на рис. С.6;

Приложение С. Светящееся

пламя отрывается от выхода сопла и размер вторич-

ного пламени также уменьшается с увеличением ε. Однако положение конца све-

тящегося пламени остается неизменным. Когда коэффициент расширения стано-

вится равным ε = 2.3, дожигания не происходит и вторичное пламя исчезает. Эти

результаты показывают, что возникновение режима дожигания зависит от темпе-

ратуры расширяющихся продуктов

сгорания на выходе из сопла. Если температу-

ра высокая, то продукты сгорания, выходящие из сопла, воспламеняются сразу же

при смешении с потоком окружающего воздуха, тем самым создавая светящееся

пламя.

394

12.7 Уменьшение количества HCl при сгорании топлив на

основе перхлората аммония

12.7.1 Основные положения уменьшения выброса HCl

Перхлорат аммония (ПХА) является одним из наиболее важных носителей

кислорода в составах смесевых твердых топлив. Кроме того, смесевые твердые

топлива на основе ПХА демонстрируют превосходные баллистические свойства,

такие как скорость горения, показатель в законе скорости горения, температурная

чувствительность при сравнении со всеми другими твердыми топливами. Кроме

этого ПХА используется в качестве

окислителя в пиролантах, применяемых для

изготовления газогенераторов, воспламенителей, трассеров благодаря высокому

тепловому потоку и их высоким скоростям горения по сравнению с другими пи-

ролантами. В отличие от перхлоратов щелочных металлов, таких как перхлорат

калия (KClO

) и перхлорат натрия (NaClO

), ПХА обладает преимуществом пол-

ного превращения в газообразные продукты реакции. Твердые топлива, состоя-

щие из частиц кристаллического ПХА и полимерных углеводородов, таким обра-

зом, производят газообразные продукты сгорания без конденсированных частиц.

Полная схема реакции может быть представлена в виде:

ClO

+ углеводородный полимер → N

, CO

, CO, H

O, HCl

Таким образом, ПХА является ценным окислителем для получения бездым-

ных твердых топлив или бездымных газогенераторов. Однако, так как продукты

сгорания смесевых твердых топлив на основе ПХА содержат относительно высо-

кую концентрацию хлорида водорода (HCl), образуется белый дым, если продук-

ты сгорания истекают из сопла во влажную атмосферу. Когда молекулы HCl

диффундируют в

воздух и сталкиваются с молекулами H

O, в нем образуется ки-

слотный туман, который усиливает видимый белый дым. Типичными примерами

являются смесевые твердые ракетные топлива, используемые в ракетных двигате-

лях. Согласно экспериментальным наблюдениям белый дым образуется, когда от-

носительная влажность превышает 40%. Таким образом, смесевые твердые топ-

лива на основе ПХА без каких-либо частиц металла называются твердыми

топли-

вами с уменьшенным дымообразованием. С другой стороны, след белого дыма

всегда виден при горении алюминизированных твердых ракетных топлив на ос-

нове ПХА при любых атмосферных условиях. Поэтому алюминизированные сме-

севые твердые топлива на основе ПХА называются дымными твердыми топлива-

ми.

Американский Спейс-Шаттл, например, имеет два больших твердотоплив-

ных ускорителя

для его запуска. Твердое топливо ускорителей имеет следующий

состав:

Химические компоненты Массовая доля

Перхлорат аммония 0,70 Окислитель

Полибутадиенакрилонитрил (PBAN) 0,14 Горючесвязующее

Алюминий 0,16 Горючее

395

Поэтому два ускорителя образуют большие количества газообразных и кон-

денсированных продуктов, включая HCl, которые выбрасываются в атмосферу.

Если газообразный HCl диффундирует во влажный воздух, то HCl конденсирует-

ся, образуя соляную кислоту в виде тумана, который перерастает в кислотный

дождь, если он присутствует на достаточном уровне для образования больших ка-

пель. В таблице 12.8 приведен пример

расчета количества газообразного хлори-

стого водорода HCl, который образуется, и площади, подвергаемой кислотному

дождю, если достаточная влажность обеспечивается в атмосфере. Хотя количест-

во HCl, которое производится, достаточно велико, Спейс Шаттл запускается с

восточного побережья полуострова Флорида (мыс Канаверел) и продукты сгора-

ния рассеиваются над Атлантическим океаном.

Таблица 12.8. Образование кислотного тумана при срабатывании

ускорителей

Спейс-Шаттл

Масса топлива двух ускорителей 500×10

кг/ускоритель×2 =

= 1000·10

кг = 10

кг

Массовая доля HCl, содержащаяся в

топливе двух ускорителей

0,217

Общая масса HCl в продуктах сгорания 1000×10

×0,217 = 0,217·10

кг

Хлористоводородная (соляная) кислота 0,372% в воде = 538·10

кг = 493 м

Площадь, подвергнутая выпадению

1мм кислотного дождя, состоящего из

0,1% соляной кислоты

22км×22 км

Так как ПХА является ценным окислителем из-за его высокого кислородно-

го совершенства, относительной безопасности при обращении и относительно

низкой стоимости по сравнению с другими окислителями, то его трудно заменить

на другие окислители бесхлорного типа. Тем не менее, ряд различных типов топ-

лив был предложен для исключения HCl из продуктов сгорания.

12.7.2 Уменьшение выделения HCl за счет образования хлоридов ме-

таллов

Высокотемпературные молекулы HCl имеют тенденцию реагировать с час-

тицами металлов. Если частицы соединений натрия или частицы магния вводятся

в состав смесевых твердых топлив на основе ПХА, то образуются хлориды натрия

или магния. В общем, наиболее широко частицы алюминия включаются в соста-

вы топлив на основе ПХА. Однако атомы Cl или молекулы Cl

, образующиеся при

разложении ПХА, реагируют с молекулами воды, образуя молекулы HCl. Хими-

ческие вещества, содержащие атомы Na или Mg, реагируют с HCl после их тер-

мического разложения.

Если нитрат натрия (NaNO

) вводится в состав топлива на основе ПХА, то

концентрация молекул HCl уменьшается в соответствии с реакцией:

ClO

+ NaNO

→ NH

+ NaClO

→ получение NaCl

→ Na

O + HCl → получение NaCl

396

Таким образом, число молекул HCl уменьшается, если частицы нитрата на-

трия вводятся в состав топлив на основе ПХА. Этот класс топлив называется

твердыми топливами с "поглотителем". На рис. 12.8 приведены результаты расче-

тов тепловых равновесий твердых ракетных топлив на основе ПХА с "поглотите-

лем" как функции массовой доли нитрата натрия

ξ(NaNO

). Топливо на основе

ПХА без NaNO

, ξ(0,0) состоит из массовых долей ξ(ПХА) = 0,85 и

ξ(НТРВ) = 0,15. Газообразный хлористый водород, образующийся в продуктах

сгорания топлива на основе ПХА, превращается в NaCl, который является ста-

бильным и безопасным для окружающей среды.

Рис. 12.18. Мольные доли HCl и NaCl, полученные в топливах на основе ПХА

с поглотителями как функции

ξ(NaNO

)

Если частицы магния включаются в состав топлива на основе ПХА, то они

реагируют с молекулами HCl, образующимися в камере сгорания, в соответствии

с реакцией:

ClO

+ Mg → MgO + MgCl

+ HCl

→ MgO + H

O → Mg(OH)

→ Mg(OH)

+ 2HCl → получение MgCl

в результате которой образуется хлорид магния. Таким образом, число молекул

HCl уменьшается, если частицы магния включаются в состав пиролантов на осно-

ве ПХА. Этот класс топлив называется "нейтрализованными топливами". На

рис. 12.19 показаны продукты сгорания нейтрализованных твердых топлив как

функции

ξ(Mg). Топливо на основе ПХА без магния ξ(0,0) состоит из

ξ(ПХА) = 0,85 и ξ(НТРВ) = 0,15.

397

Газообразный HCl, находящийся в продуктах сгорания топлива на основе

ПХА, превращается в хлорид магния, который стабилен и безвреден для окру-

жающей среды. Удельные импульсы топлив с поглотителем и нейтрализованных

топлив приведены как функции ξ(NaNO

) или ξ(Mg) на рис. 12.20.

Так как частицы магния действуют как компонент горючего аналогично

частицам Al, то удельный импульс нейтрализованных топлив увеличивается с

Рис. 12.19. Мольные доли

продуктов сгорания нейтрализо-

ванных топлив на основе ПХА

как функции ξ(Mg)

Рис. 12.20. Удельные импуль-

сы топлив с поглотителем и ней-

трализованных смесевых топлив

на основе ПХА как функции

ξ(NaNO

) или ξ(Mg)

398

увеличением ξ(Mg). Хотя NaNO

действует как компонент окислителя, удельный

импульс не может увеличиваться при замене ПХА на NaNO

. Таким образом,

удельный импульс топлив с поглотителем уменьшается с увеличением

ξ(NaNO

12.8 Уменьшение инфракрасного излучения от продуктов

сгорания

Основные инфракрасные излучения от газообразных продуктов сгорания

твердых топлив вызываются высокотемпературными молекулами СО

и Н

О. Ко-

гда нитрополимерные топлива или топлива на основе ПХА горят, то образуются

большие количества высокотемпературных молекул СО

и Н

О. Если эти твердые

топлива сгорают не полностью из-за их составов, обогащенных горючим, то вме-

сто молекул СО

и Н

О образуются большие количества углеводородных фраг-

ментов и твердых частиц углерода. Эти фрагменты и частицы испускают непре-

рывный спектр излучений, включая инфракрасное. Невозможно уменьшить ин-

фракрасное излучение от этих продуктов сгорания.

На рис. 12.21 показаны продукты сгорания смесевых твердых топлив ПХА-

НТРВ и гексоген-НТРВ. Большие количества Н

О, НСl и СО

образуются, когда

сгорает твердое топливо ПХА-НТРВ с ξ

ПХА

(0,85). Молекулы Н

О, HCl и СО

ис-

пускают инфракрасное излучение. С другой стороны, ни СО

, ни С

(тв.)

не образу-

ются, если сгорает топливо типа гексоген-НТРВ, включающее

гексоген

(0,85).

Рис. 12.21. Мольные доли продуктов сгорания, образующихся при сгорании

твердых топлив типа ПХА-НТРВ и гексоген-НТРВ

Вместо этого, большие количества СО, Н

и N

образуются в качестве ос-

новных продуктов сгорания. Однако инфракрасное излучение не испускается мо-

лекулами Н

и N

. Хотя молекулы СО образуются при ξ

гексоген

(0,85), однако ин-

фракрасное излучение, испускаемое этими молекулами, меньше, чем от молекул

О и СО

399

Ссылки

1. Gaydon, A.G., and Wolfhard, H. G., Flamrs: Their Structure, Radiation and Tem-

perature, Third Edition (revised), Chapman and Hall, London (1970).

2. Sturman, B., An Introduction to Chemical Thermodynamics, Pyrotechnic Chemis-

try, Journal of Pyrotechnics, Inc., Whitewater, CO (2004), Chapter 3.

3. Kosanke, K.L., and Kosanke, B.J., The Chemistry of Colored Flame, Pyrotechnic

Chemistry, Journal of Pyrotechnics, Inc., Whitewater, CO (2004), Chapter 9.

4. Hosoya, M., and Hosoya, F., Science of Fireworks, Thokai University Press, Tokyo

(1999).

5. Shimizu, T., Chemical Components of Fireworks Compositions, Pyrotechnic

Chemistry, Journal of Pyrotechnics, Inc., Whitewater, CO (2004), Chapter 2.

6. Energetic Materials Handbook, Japan Explosives Society, Kyoritsu Shuppan, To-

kyo (1999).

7. Koch, E.C., Dochnahl, A., IR Emission Behavior of Magnesium/Teflon/Viton

(MTV) Compositions, Propellants, Explosives, Pyrotechnics, Vol. 25, 2000, pp. 37-

40.

8. Koch, E.C., Review on Pyrotechnic Aerial Infrared Decoys, Propellants, Explo-

sives, Pyrotechnics, Vol. 26, 2001, pp. 3-11.

9. Gillard, P., and Roux, M., Study of the Radiation Emitted During the Combustion

of Pyrotechnic Charges. Part I: Non-Stationary Measurement of the Temperature

by Means of a Two-Color Pyrometer, Propellants, Explosives, Pyrotechnics, Vol.

27, 2002, pp. 72-79.

10. Taylor, M.J., Spectral Acquisition and Calibration Techniques for the Measurement

of Radiative Flux Incident upon Propellant, Propellants, Explosives, Pyrotechnics,

Vol. 28, 2003, pp. 18.

11. Iwao, I., Kubota, N., Aoki, I., Furutani, T., and Muramatsu, M., Inhibition of After-

burning of Solid Propellant Rocket, Explosion and Explosives, Industrial Explo-

sives Society Japan, Vol. 42, No.6, pp.366-372 (1981) or Translation by Heimerl, J.

M., Kingenberg, G., and Seiler, F., T 3/86, Ernst-Mach-Institut Abteilung für Bal-

listik, Fraunhofer-Gesellschaft, Weil-am-Rhein (1986).

12. Gillard, P., de Izarra, C., and Roux, M., Study of the Radiation Emitted During the

Combustion of Pyrotechnic Charges. Part II; Characterization by Fast Visualization

and Spectroscopic Measurements, Propellants, Explosives, Pyrotechnics, Vol. 27,

2002, pp. 80-87.

13. Blanc, A., Deimling, L., and Eisenreich, N., UN- and IR-Signatures of Rocket

Plumes, Propellants, Explosives, Pyrotechnics, Vol. 27, 2002, pp. 185-189.

400

Гл а в а 13

Неустановившееся горение твердых топлив и

пиролантов

13.1 Переход к воспламенению

Воспламенение энергетического материала, такого как твердое топливо или

пиролант, инициируется теплом, подаваемым к поверхности за счет теплопровод-

ности, конвективной и/или радиационной теплопередачи [1, 2]. За счет теплопро-

водности тепло подается к энергетическому материалу с помощью конденсиро-

ванных частиц, диспергированных на воспламеняемой поверхности. Например,

воспламенитель, изготовленный из частиц бора и нитрата калия, генерирует

большое число частиц окисла бора, температура которых превышает 3000 К. Теп-

лопередача за счет теплопроводности от горячих частиц окисла к поверхности

энергетического материала увеличивается до температуры последних. Начинается

экзотермическая реакция газификации, и реакционные газы отходят от поверхно-

сти энергетического материала. Эти реакционные газы затем образуют высоко-

температурные продукты сгорания, и устанавливается

воспламенение.

Когда образуются высокотемпературные газы при воздействии потока про-

дуктов сгорания воспламенителя на поверхность энергетического материала, име-

ет место конвективная теплопередача и температура поверхности повышается.

Как и в случае прогрева за счет теплопроводности, происходит экзотермическая

реакция и образуются реакционные газы. Если реакционный световой излучатель

излучает на поверхность энергетического материала, то температура

поверхности

также повышается, и на поверхности имеет место экзотермическая газификация.

После этого устанавливается воспламенение энергетического материала. Задерж-

ка воспламенения возникает не только в результате процесса теплопередачи, но

также и в результате различных физико-химических процессов.

13.1.1 Конвективное воспламенение и воспламенение за счет

теплопроводности

Когда высокотемпературный газовый поток проходит над поверхностью

энергетического материала, имеет место конвективная теплопередача, и темпера-

тура поверхности увеличивается. Когда температура достигает температуры раз-

ложения, происходит реакция газификации либо эндотермически, либо экзотер-

мически. Тепло, передаваемое к поверхности, также передается вовнутрь мате-

риала и одновременно увеличивает его температуру. Газообразные продукты раз-

ложения на

поверхности и выше реагируют, выделяя тепло, и затем часть тепла