Кубота Н. Твердые ракетные топлива и взрывчатые вещества

Подождите немного. Документ загружается.

491

поддержать термическое разложение. С другой стороны, нитрополимерный пиро-

лант горит, выделяя обогащенные горючим продукты, даже когда массовая доля

нитроцеллюлозы увеличивается. Однако скорости горения пироланта на основе

ПХА и нитрополимерного пироланта довольно низкие и их показатели в зоне

скорости горения также низкие, чтобы допустить их применение в качестве газо-

генерирующих пиролантов в

прямоточных ракетах с переменным потоком горю-

чего.

На рис. 15.6 показаны характеристики скорости горения пиролантов трех

типов в газогенераторе.

Рис. 15.6. Характеристики скорости горения газогенерирующих пиролантов

Скорость горения пироланта на основе ГАП, как видно, намного выше ско-

рости горения пироланта на основе ПХА и нитрополимерного пироланта. Если

давление увеличивается с 2,5 до 10 МПа, то скорость горения пироланта на осно-

ве ГАП увеличивается с 10 до 25 мм/с. Показатели в законе скорости горения

пиролантов на основе ПХА и нитропиролантов являются слишком низкими, что-

бы использовать их в качестве газогенераторов в прямоточных ракетах с пере-

менным потоком горючего. Показатель в законе скорости горения пироланта на

основе ГАП является относительно высоким и составляет около 0,7 в диапазоне

давлений от 1 до 12 МПа.

Удельный импульс каждого пироланта рассчитывается

как функция отно-

шения воздуха к горючему, как показано на рис. 15.7. В расчетах давление в ка-

мере дожигания, как предполагается, составляет 0,6 МПа при числе Маха 2,0 при

полете на уровне моря. Если пиролант на основе ГАП используется в качестве га-

492

зогенерирующего пироланта, то удельный импульс составляет приблизительно

800 с при ε = 10. Очевидно, что пиролант на основе ПХА и нитрополимерный пи-

ролант неэффективны для применения в качестве газогенерирующих пиролантов

в прямоточных ракетах с регулируемым потоком горючего. Однако удельный им-

пульс и характеристики скорости горения этих пиролантов могут быть улучшены

в дальнейшем добавлением

энергетических материалов и модификаторов скоро-

сти горения.

Рис. 15.7. Удельный импульс газогенерирующих пиролантов как функция

отношения воздух/горючее

15.5.2.2 Газогенерирующие пироланты с проволочками

Обычно скорости горения обогащенных горючим газогенерирующих пиро-

лантов ниже, чем скорости горения ракетных топлив из-за более низкой энергии

пиролантов по сравнению с твердыми топливами. Таким образом, проектный по-

тенциал газогенерирующих пиролантов, используемых в прямоточных ракетах,

весьма ограничен. Хотя скорости горения топлив, используемых для ракет, уве-

личиваются при добавлении катализаторов, однако

отсутствуют катализаторы для

газогенерирующих пиролантов из-за применения химических веществ, обогащен-

ных горючим.

Скорости горения ракетных топлив увеличиваются, если тонкие металличе-

ские проволочки вводятся в топливо вдоль направления горения, как описано в

разделе 13.6. Скорость горения увеличивается вдоль проволочки, и в результате

этого площадь поверхности горения увеличивается и повышает массовую ско-

рость горения. Этот метод увеличения скорости горения является также эффек-

тивным для газогенерирующих пиролантов. Как и в случае твердых топлив с про-

волочками, скорость горения вдоль тонкой проволочки r

, внедренной в газогене-

493

рирующий пиролант, увеличивается. Чем больше температуропроводность про-

волочки, тем выше скорость горения r

Повышение скорости горения, определяемое как r

, определяется экспе-

риментально, где r

– скорость горения газогенерирующего топлива без проволо-

чек. Хотя r

увеличивается с уменьшением размера проволочки, однако эффек-

та прироста скорости горения не наблюдается, когда диаметр проволочки ниже

0,05 мм. Скорость горения r

газогенерирующих пиролантов, таких как обога-

щенный горючим пиролант на основе ПХА-НТРВ и обогащенный горючим нит-

рополимерный пиролант, ниже скорости горения твердых топлив на основе ПХА-

НТРВ и двухосновных топлив. Температура газовой фазы является низкой и, сле-

довательно, обратный тепловой поток через проволочки также низкий для газоге-

нерирующих пиролантов по

сравнению с твердыми топливами. Однако r

, по-

видимому, является приблизительно тем же самым для пиролантов и твердых то-

плив. Полученное увеличение скорости горения составляет 2-5 раз.

15.5.3 Пироланты для прямоточных ракет с переменным

потоком горючего

Газогенерирующий пиролант с высоким показателем в законе скорости го-

рения является основой для проектирования прямоточной ракеты с переменным

потоком горючего с широким диапазоном полетных операций. Требования для

пиролантов, используемых в этих ракетах, могут быть сформулированы следую-

щим образом.

Самоподдерживающееся разложение или горение при высокой концен-

трации горючего и достаточно низких концентрациях окислителя.

Высокий показатель в законе скорости горения (приблизительно 0,7-0,9),

но должен быть менее 1,0.

Высокая скорость горения у отформованного заряда торцевого горения:

приблизительно 5×10

–3

м/с в диапазоне низких давлений и 25×10

–3

м/с в

области высоких давлений около 10 МПа.

Температура горения должна быть достаточно низкой, чтобы защитить

клапан для регулирования скорости потока от тепловой нагрузки, и дос-

таточно высокой, чтобы воспламенить горючий газ, когда вводится в ка-

меру дожигания; температура горения газогенерирующего пироланта

приблизительно равна 1400 К.

15.5.4 Пироланты на основе ГАП

Как описано в разделах 4.2.4.1 и 5.2.2, ГАП является уникальным энергети-

ческим материалом, который горит очень быстро без какой-либо окислительной

реакции. Когда азидная связь разрывается, образуя азот, высвобождается значи-

тельное количество тепла при термическом разложении. Глицидилазидный фор-

полимер полимеризуется с применением гексаметилендиизоцианата, образуя гли-

цидилазидный сополимер, который поперечно сшивается с использованием три

метилолпропана. Физико-химические свойства пиролантов на основе ГАП, ис-

пользуемых в прямоточных двигателях с переменным потоком горючего, показа-

ны в таблице 15.3 [4]. Основными компонентами горючего являются Н

, СО и

494

(тв)

, которые являются горючими фрагментами при смешении с воздухом в каме-

ре дожигания. Остальные продукты состоят, главным образом, из N

c небольши-

ми количествами СО

и Н

О.

Таблица 15.3. Физико-химические свойства пироланта на основе ГАП

Молекулярная масса 1,98 кг/моль

Плотность 1,30×10

кг/м

Теплота образования 957 кДж/кг при 273 К

Адиабатическая температура пламени 1465 К при 5 МПа

Продукты сгорания (мольные доли) при 5 МПа

СО С

(тв.)

СН

O CO

0,3219 0,1395 0,2847 0,0215 0,2234 0,0071 0,0013

Рис. 15.8. Характеристики скорости горения сополимера ГАП с модифика-

тором скорости горения (графитом) и без него, показывающие, что показатель в

законе скорости горения увеличивается с увеличением количества модификатора

скорости горения

На рис. 15.8 показан типичный ряд зависимости скоростей горения от дав-

ления для пиролантов на основе ГАП, состоящих из сополимера ГАП с

модифи-

катором скорости горения и без него. Скорость горения уменьшается по мере то-

го, как массовая доля модификатора скорости горения, обозначенного как ξ(С),

увеличивается. Частицы графита диаметром 0,03 микрона используются в качест-

ве модификатора скорости горения [12, 13]. Показатель в законе скорости горения

увеличивается с увеличением ξ(С) из-за подавления скорости горения

в диапазоне

495

низкого давления при добавлении катализатора. Расширение диапазона скорости

горения и модификация показателей в законе скорости горения возможны при до-

бавлении различных массовых долей ξ(С). Например, показатель в законе скоро-

сти горения увеличивается с 0,3 до 1,5 при данном давлении при добавлении

ξ(С) = 0,10. Кроме того, частицы графита действуют в качестве горючих компо

нентов в камере дожигания.

Удельный импульс пироланта на основе ГАП рассчитывается как функция

отношения воздух-горючее ε с помощью уравнения (15.5) при условиях давления

в камере дожигания 0,6 МПа и скорости полета, равной 2 М на уровне моря. На

рис. 15.9 показаны расчетные результаты: удельный импульс I

, как видно, уве-

личивается с увеличением ε.

Рис. 15.9. Удельный импульс и температура горения К пиролантов на осно-

ве ГАП как функция отношения воздух-горючее: давление в камере дожигания

0,6 МПа и число Маха 2,0 при полете на уровне моря

Удельный импульс достигает приблизительно 800 с при ε = 15. Температура

горения T

в камере дожигания также рассчитывается как функция ε. T

увеличи-

вается с увеличением ε в диапазоне ε < 5 и достигает максимальное значение

= 2500 K при ε = 5. T

затем уменьшается с увеличением ε в диапазоне ε > 5.

Важно отметить, что I

увеличивается непрерывно с увеличением ε, даже если T

уменьшается в диапазоне ε > 5.

496

15.5.5 Частицы металлов в качестве компонентов

горючего

Частицы металлов представляют собой энергетические компоненты горю-

чего в газогенерирующих пиролантах. Если частицы металлов включены в газо-

генерирующий пиролант, то они нагреваются газообразными продуктами сгора-

ния пироланта без окисления. Это связано с тем, что пироланты, используемые в

прямоточных ракетах, являются обогащенными горючим и не имеется избытка

окисляющих компонентов для окисления металлических

частиц. Если эти горячие

металлические частицы эжектируются во вторичную камеру сгорания (камеру

дожигания), то они легко окисляются воздухом, забираемым из атмосферы, с вы-

делением тепла и, следовательно, становятся частицами окислов металлов. Ти-

пичными частицами металлов, которые используются, являются частицы алюми-

ния, магния, титана или циркония. Хотя бор является металлоидом, однако

тепло-

та, выделяющаяся при его окислении, намного выше, чем теплоты, получаемые

при окислении металлов [1, 5].

Молекулярная масса продуктов сгорания в камере дожигания увеличивается

за счет образования окисленных частиц металлов. Однако температура в камере

дожигания также увеличивается за счет окисления. Результаты термохимических

расчетов показывают, что удельный импульс, реализуемый при горении в камере

дожигания

, больше зависит от средней температуры горения, чем от средней мо-

лекулярной массы продуктов в случае добавления металлов. В таблице 15.4 пока-

заны теплоты сгорания и основные окисленные продукты твердых частиц, ис-

пользуемых в прямоточных ракетах.

Частицы алюминия и магния являются более предпочтительными металла-

ми в составах пиролантов из-за их высокого

потенциала по воспламеняемости и

горению. Однако частицы продуктов сгорания алюминия и магния имеют тенден-

цию агломерировать, образуя относительно большие частицы окислов металлов.

Так как плотности и теплоты сгорания титана и циркония выше, чем эти характе-

ристики у алюминия и магния, то титан и цирконий являются более благоприят-

ными для применения в

качестве горючих металлов в прямоточных ракетах.

Таблица 15.4. Физико-химические свойства частиц металлов и металлоидов,

используемых в качестве компонентов в прямоточных ракетах

Твердые частицы Плотность,

кг/м

МДж/кг

Продукты

окисления

Металлы

Алюминий, Al 2700 934 16,44 Al

Магний, Mg 1740 922 14,92 MgO

Титан, Ti 4540 1998 8,50 (TiO) TiO, Ti

, TiO

Цирконий, Zr 6490 2125 8,91 ZrO

Металлоиды

Бор, В 2340 2573 18,27 В

Углерод, С 2260 3820 8,94 (СО

) СО, СО

– температура плавления; Н

– теплота сгорания.

497

15.5.6 Пироланты на основе ГАП-бор

Частицы бора вводятся в ГАП-пироланты, чтобы увеличить их удельный

импульс [8-12]. Адиабатическая температура пламени и удельный импульс пиро-

лантов на основе ГАП показаны как функция отношения воздух-горючее на

рис. 15.10 и 15.11, соответственно.

Рис. 15.10. Адиабатическая

температура пламени газогене-

ирующего пироланта ГАП-В

как функция отношения воз-

дух-горючее

Рис. 15.11. Удельный им-

пульс газогенерирующего пиро-

ланта ГАП-В как функция от-

ношения воздух-горючее

498

При расчете совершенства смесь продуктов сгорания пироланта с воздухом,

как предполагается, является реагирующим веществом. Энтальпия воздуха изме-

няется в соответствии со скоростью носителя (или относительной скоростью воз-

духа) и высотой полета. Условия полета как предполагают, реализуются при ско-

рости М = 2 на уровне моря. Энтальпия воздуха принимается равной 218,2

кДж/кг.

Температура горения

в газогенераторе достигает максимума при стехиомет-

рическом соотношении компонентов в смеси при ε = 5. Удельный импульс увели-

чивается с увеличением ε (обедненная горючим смесь). Однако тяга уменьшается

по мере увеличения ε. Максимальная тяга получается при стехиометрическом со-

отношении в смеси. Очевидно, что I

увеличивается с увеличением ξ

Удельный

импульс пироланта, содержащего ξ

(0,2), составляет 1100 с и его адиабатическая

температура пламени T

достигает около 1600 К при ε = 20.

Данные по температуре горения в газогенераторе приведены в таблице 15.5.

Пиролант на основе ГАП без частиц бора ξ

(0,0) сгорает полностью.

Таблица 15.5. Теоретическая и экспериментальная температура горения пиро-

лантов на основе ГАП и ГАП-В

Температура горения, К

Пиролант ГАП-В

Теоретическая Измеренная

(0,00) 1347 1054

(0,10) 2173 1139

Измеренная температура приблизительно на 300 К ниже, чем теоретическая

температура. Наблюдается небольшое увеличение температуры, если частицы бо-

ра вводятся в пиролант на основе ГАП. Разница между теоретической температу-

рой горения и измеренной температурой составляет приблизительно 1000 К, если

массовая доля бора составляет ξ

(0,10).

Температура частиц бора повышается за счет тепла, выделяющегося при

разложении ГАП. Однако происходит реакция горения между частицами бора и

газообразными продуктами разложения пироланта на основе ГАП. Поэтому тем-

пература в газогенераторе остается достаточно низкой, чтобы защитить установ-

ленное сопло от вредного воздействия тепла.

15.5.7 Смесевые пироланты на основе ПХА

На рис. 15.12 показаны характеристики скорости горения смесевого пиро-

ланта на основе ПХА, содержащего частицы бора. Пиролант состоит из ξ

ПХА

(0,40), ξ

СТРВ

(0,30) и ξ

(0,30). Влияние размера частиц бора на скорость горения

очевидно: скорость горения и показатель в законе скорости горения уменьшается

с увеличением d

. Если d

= 2,7 мкм, скорость горения составляет 6 мм/с при

7 МПа и показатель в законе скорости горения равен 0,65. Однако, если

= 9,0 μм, то скорость горения резко уменьшается до 1,8 мм/с при том же самом

давлении и показатель в законе скорости горения уменьшается до 0,16. Невоз-

можно использовать такие большие частицы бора в пиролантах на основе ГАП-В

для прямоточных ракет с переменным потоком горючего.

499

Рис. 15.12. Влияние размера частиц бора на скорость горения смесевого

пироланта на основе ПХА

15.5.8 Влияние частиц металла на стабильность горения

Время реакции, требуемое для полного сгорания в камере дожигания, опре-

деляется скоростью потока и длиной камеры дожигания. Чтобы получить высо-

кую эффективность горения, длина камеры дожигания должна быть короткой, на-

сколько возможно, при высокой скорости потока. Газообразная горючая смесь

образуется в камере дожигания за счет смешения обогащенного горючим газа и

воздухом

, поступающим через воздухозаборник. Например, если скорость газово-

го потока в камере дожигания порядка 500 м/с и длина камеры дожигания порядка

1 м, то время пребывания горючего газа в камере дожигания составит порядка

2 миллисекунд. Так как скорость распространения пламени горючего газа состав-

ляет порядка 10 м/с, то пламя выбрасывается из сопла

камеры дожигания и очень

трудно сохранить пламя в камере дожигания. Горючий газ, следовательно, сгора-

ет не полностью в камере дожигания.

Частицы металла, включенные в газогенирирующий пиролант, действуют

как держатели пламени, сохраняющие пламя в камере дожигания. Каждая частица

металла течет с горючим газом и становится горячей частицей металла или его

окисла. Скорость

потока такой горячей частицы ниже скорости потока горючего

газа по направлению движения горячей частицы, которая уменьшается из-за аэро-

динамического эффекта между газовым потоком и поверхностью горячей части-

цы. Микропламя становится как бы прикрепленным к каждой горячей частице и

воспламеняет окружающий горючий газ, и пламя распространяется в горючий газ.

Другими

словами, горячая частица действует в качестве воспламенителя. В ре-

зультате горячие частицы, диспергированные в камере дожигания, воспламеняют

горючий газ в нем.

500

15.6 Тесты для оценки горения прямоточных ракет

15.6.1 Отделение для проведения испытаний на горение

Для оценки эффективности горения прямоточных двигателей используются

три типа испытательных отделений: прямоподсоединенный поток (direct-connect

flow – DCF), полусвободная струя (semi-freejet – SFJ) и свободная струя (freejet –

FJ), как показано на рис. 15.13. Нагретый воздух под давлением или холодный

воздух используется в испытательных отделениях с DCF, SFJ и FJ. Давление и

температура воздушного потока регулируется специальной системой управления

подачи воздуха для моделирования поведения и

характеристик воздуха при поле-

те системы с прямоточной ракетой. В случае испытания с DCF воздушный поток

подается в камеру дожигания из воздушного танка, находящегося под давлением,

через прямоподсоединенную трубу. Воздухозаборники не используются при ис-

пытании по схеме DCF. Поэтому давление и температура воздуха в камере дожи-

гания прямо создаются в танке со

сжатым воздухом. Ни сверхзвукового потока,

ни ударных волн не образуется при подаче воздуха в камеру дожигания. В испы-

тании по схеме DCF замеряется эффективность горения в камере дожигания как

функция отношения потоков воздуха и горючего ε. Характеристики горения пря-

моточных ракет оцениваются из экспериментальных данных по давлению в каме-

ре дожигания, скорости

воздушного потока и скорости потока горючего.

Рис. 15.13. Испытательные отделения DCF, SFJ и FJ