Кубота Н. Твердые ракетные топлива и взрывчатые вещества
Подождите немного. Документ загружается.
531
Приложение Е
Измерения скорости горения и определение
структуры волны горения
Скорость горения твердых топлив является одним из важнейших парамет-
ров при разработке ракетных двигателей. Скорость горения получается как функ-
ция давления и начальной температуры, из которой определяются показатель в
законе скорости горения и температурная чувствительность.
Камера сгорания, используемая для измерений скорости горения, называет-
ся "прутковой камерой" или бомбой Кроуфорда. На рис
. Е.1 представлена схема
установки, в которой создается требуемое давление с помощью сжатого азота.
Рис. Е.1. Прутковая камера сгорания типа Chimney (дымовая труба)
с окнами для наблюдения
Газообразный азот для продувки вводится сбоку камеры для сжигания и
сбрасывается из центрального отверстия верхней крышки камеры через дроссель-
ный клапан. Газообразный азот занимает весь объем вокруг сжигаемого образца и
532
затем сбрасывается вместе с продуктами сгорания образца твердого топлива.
Скорость продувки газообразного азота регулируется, чтобы исключить сдвиго-
вой поток между газообразными продуктами сгорания и газообразным азотом над
горящим образцом, что гарантирует стабильное пламя при горении и гладкую по-
верхность горения. Эта прутковая камера сгорания с системой газового потока на-
зывается прутковой
камерой сгорания типа "дымовая труба". Когда образец (пру-
ток) топлива воспламеняется при условиях продувки азотом, то давление в камере
сгорания увеличивается из-за дополнительного выделения газов из горящего топ-
лива. Однако клапан давления, установленный в системе подачи азота, регулиру-
ется автоматически для уменьшения скорости потока азота, чтобы поддерживать
постоянное давление.
Таким путем давление в камере сгорания поддерживается
на требуемом уровне.
Для измерения скорости горения твердые топлива формуются в виде прутка
с сечением 7×7 мм и длиной 100 мм в качестве стандартных размеров. Образец
располагается вертикально в центре камеры сгорания. Тонкая металлическая про-
волока (0,1 мм диаметром) продевается в верхней части образца. Скорость горе-
ния
измеряется путем определения момента плавления каждой из пяти низко-
плавких проволочек, сделанных из свинца, диаметром 0,25 мм, которые продева-
ются через образец на точно определенном расстоянии разделения (15 мм). Эти
пять плавких проволочек, каждая из которых находится в ряду с резистором, об-
разуют пять параллельных цепей электрического тока, и изменения приложенного
напряжения
происходят сразу после того, как проволочки расплавятся. Темпера-
тура образца измеряется посредством оттарированной медь-константановой тер-
мопары, продетой через испытуемый образец, и шарик (спай) термопары помеща-
ется в центре образца.
Скорости горения при различных температурах измеряются путем помеще-
ния камеры сгорания в условия с регулируемой температурой. Газообразный азот
для продувки, вводимый
в камеру сгорания, также охлаждается или нагревается
до желаемой температуры через теплообменник, который размещается в тех же
самых условиях с регулируемой температурой. Таким образом, температуры ка-
меры сгорания образца топлива и газообразного азота поддерживаются на тре-
буемом уровне. Высокотемпературный газ, образующийся при горении образца,
не влияет на температуру, потому что
продукты сгорания текут вверх. Более 5
минут необходимо для выравнивания температуры образца в условиях потока
азота.
Прутковая камера сгорания типа Chimney (дымовая труба) для газовой фазы
и для наблюдения за поверхностью горения состоит из камеры с четырьмя квар-
цевыми окнами, вставленными в боковые стенки. Небольшой цилиндр диаметром
20 мм устанавливается вертикально внутри камеры
и соединяется с основанием.
Четыре прозрачных стеклянных пластины устанавливаются на боковой поверхно-
сти цилиндра, который используется для поддержания потока газообразного азота
вокруг горящего образца, чтобы предупредить отложение продуктов сгорания и
задымление стеклянных пластин. Газообразный азот подается через основание
камеры, и скорость потока регулируется путем изменения дроссельного отвер-
стия, смонтированного в верхней
части камеры сгорания.
533
Фотографии структуры волны горения в газовой фазе делаются с использо-
ванием высокоскоростной видеокамеры. Образец топлива освещается снаружи
камеры сгорания посредством лампы с вольфрамовой нитью или ксеноновой лам-
пой, чтобы наблюдать за поверхностью горения. Микрофотографии поверхности
горения получаются с использованием высокоскоростной видеокамеры, оснащен-
ной микротелескопическим оборудованием.
534
535
Оглавление
Введение ....................................................................................................................... 3
Предисловие ко второму изданию ............................................................................. 4
Глава 1 Основы пиродинамики............................................................................ 5
1.1 Теплота и давление..................................................................................... 5
1.1.1 Первый закон термодинамики................................................................... 5
1.1.2 Удельная теплоемкость.............................................................................. 6
1.1.3 Изменение энтропии................................................................................... 9
1.2 Термодинамика в поле течения (потоке) ................................................. 9
1.2.1 Одномерное стационарное течение .......................................................... 9
1.2.1.1 Скорость звука и число Маха .................................................................... 9
1.2.1.2 Уравнения сохранения в поле течения................................................... 10
1.2.1.3 Точка стагнации (застоя).......................................................................... 10
1.2.2 Образование ударной волны.................................................................... 11
1.2.3 Сверхзвуковое течение в сопле............................................................... 14
1.3 Образование реактивных сил .................................................................. 17
1.3.1 Изменение количества движения и тяга................................................. 17
1.3.2 Ракетный двигатель .................................................................................. 18
1.3.2.1 Коэффициент тяги .................................................................................... 19
1.3.2.2 Характеристическая скорость ................................................................. 20
1.3.2.3 Удельный импульс.................................................................................... 21
1.3.3 Артиллерийские орудия........................................................................... 22
1.3.3.1 Термохимические процессы в артиллерийских орудиях ..................... 22
1.3.3.2 Внутренняя баллистика............................................................................ 23
1.4 Образование разрушающих сил.............................................................. 25
1.4.1 Волна сжатия и ударная волна ................................................................ 25
1.4.2 Распространение и отражение ударной волны в твердых
материалах ................................................................................................. 25
Ссылки ..................................................................................................................... 26
Глава 2 Термохимия горения.............................................................................. 27
2.1 Генерация тепловой энергии ................................................................... 27
2.1.1 Энергия химической связи ...................................................................... 27
2.1.2 Теплота образования и теплота взрыва .................................................. 29
2.1.3 Тепловое равновесие ................................................................................ 29
2.2 Адиабатическая температура пламени................................................... 31
2.3 Химическая реакция................................................................................. 34
2.3.1 Термическая диссоциация (разложение)................................................ 34
2.3.2 Скорость реакции...................................................................................... 35
2.4 Оценка химической энергии.................................................................... 36
2.4.1 Теплоты образования реагирующих веществ и продуктов.................. 36
2.4.2 Кислородный баланс ................................................................................ 39
2.4.3 Термодинамическая энергия ................................................................... 41
Ссылки ..................................................................................................................... 42
536
Глава 3 Распространение волны горения......................................................... 44
3.1 Реакция горения........................................................................................ 44
3.1.1 Воспламенение и горение ........................................................................ 44
3.1.2 Пламя предварительно перемешанных компонентов и
диффузионное пламя................................................................................ 45
3.1.3 Ламинарное пламя и турбулентное пламя ............................................. 45
3.2 Волна горения предварительно перемешанного газа ........................... 46
3.2.1 Основные уравнения для волны горения............................................... 46
3.2.2 Зависимости Ренкина-Гюгоньо............................................................... 47
3.2.3 Точки Чепмена-Жуге (Сhapman-Jouguet)............................................... 49
3.3 Структуры волн горения.......................................................................... 52
3.3.1 Детонационная волна ............................................................................... 52
3.3.2 Волна дефлаграции................................................................................... 54
3.4 Реакция воспламенения............................................................................ 56
3.4.1 Процесс воспламенения ........................................................................... 56
3.4.2 Тепловая теория воспламенения............................................................. 57
3.4.3 Предел воспламеняемости ....................................................................... 58
3.5 Волна горения энергетических материалов........................................... 58
3.5.1 Тепловая теория скорости горения......................................................... 58
3.5.1.1 Тепловая модель структуры волны горения.......................................... 58
3.5.1.2 Тепловая структура в конденсированной фазе...................................... 61
3.5.1.3 Термическая структура в газовой фазе................................................... 63
3.5.1.4 Модель скорости горения ........................................................................ 65
3.5.2 Расстояние отбрасывания пламени......................................................... 67
3.5.3 Характеристики скорости горения энергетических материалов ......... 68
3.5.3.1 Показатель степени в законе скорости горения .................................... 68
3.5.3.2 Температурная чувствительность скорости горения............................ 68
3.5.4 Анализ температурной чувствительности скорости горения .............. 69
Ссылки ..................................................................................................................... 72
Глава 4 Энергетика твердых ракетных топлив и взрывчатых веществ... 73
4.1 Кристаллические материалы ................................................................... 73
4.1.1 Физико-химические свойства кристаллических материалов.............. 73
4.1.2 Перхлораты................................................................................................ 75
4.1.2.1 Перхлорат аммония .................................................................................. 76
4.1.2.2 Перхлорат нитрония ................................................................................. 76
4.1.2.3 Перхлорат калия ....................................................................................... 77
4.1.3 Нитраты ..................................................................................................... 77
4.1.3.1 Нитрат аммония ........................................................................................ 77
4.1.3.2 Нитраты калия и натрия........................................................................... 78
4.1.3.3 Пентаэритриттетранитрат........................................................................ 79
4.1.3.4 Триаминогуанидиннитрат........................................................................ 79
4.1.4 Нитросоединения...................................................................................... 79
4.1.5 Нитрамины ................................................................................................ 80
4.2 Полимерные материалы ........................................................................... 81
537
4.2.1 Физико-химические свойства полимерных материалов ...................... 81
4.2.2 Нитроэфиры............................................................................................... 82
4.2.3 Инертные полимеры ................................................................................. 83
4.2.4 Азидные полимеры................................................................................... 87
4.2.4.1 Глицидилазидный полимер (ГАП).......................................................... 88
4.2.4.2 БАМО (BAMO) ......................................................................................... 90
4.3 Классификация твердых ракетных топлив и взрывчатых веществ..... 91
4.4 Состав топлив............................................................................................ 94
4.5 Нитрополимерные топлива...................................................................... 95
4.5.1 Одноосновные топлива ............................................................................ 95
4.5.2 Двухосновные топлива............................................................................. 96
4.5.2.1 Топлива на основе нитроцеллюлозы и нитроглицерина ...................... 96
4.5.2.2 Ракетные топлива на основе НЦ – ТМЭТН ........................................... 98
4.5.2.3 Нитроазидные ракетные топлива............................................................ 99
4.5.2.4 Химические материалы для двухосновных топлив ............................ 100
4.6 Смесевые ракетные топлива.................................................................. 101
4.6.1 Перхлоратные смесевые ракетные топлива......................................... 102
4.6.1.1 Топлива на основе ПХА и HTPB .......................................................... 102
4.6.1.2 Твердые ракетные топлива на основе ПХА и глицидилазидного
полимера (ГАП) ...................................................................................... 104
4.6.1.3 Химические материалы для перхлоратных смесевых твердых
ракетных топлив ..................................................................................... 105
4.6.2 Смесевые твердые ракетные топлива на основе нитрата аммония... 106
4.6.3 Нитраминные смесевые твердые ракетные топлива........................... 107
4.6.4 Смесевые ракетные топлива на основе нитроформиата гидразония 109
4.6.5 Смесевые ракетные топлива на основе триаминогуанидин-нитрата 110
4.7 Смесевые модифицированные двухосновные ракетные топлива ..... 112
4.7.1 Смесевые модифицированные двухосновные ракетные топлива,
содержащие перхлорат аммония........................................................... 112
4.7.2 Нитраминные смесевые модифицированные двухосновные
топлива..................................................................................................... 113
4.7.3 Трехосновные ракетные топлива .......................................................... 114
4.8 Черный порох .......................................................................................... 115
4.9 Разработка составов взрывчатых веществ ........................................... 116
4.9.1 Промышленные ВВ ................................................................................ 116
4.9.1.1 ВВ типа ANFO ........................................................................................ 116
4.9.1.2 Суспензионные ВВ ................................................................................. 117
4.9.2 Взрывчатые вещества военного назначения........................................ 117
4.9.2.1 ВВ на основе тринитротолуола (ТНТ).................................................. 117
4.9.2.2 Взрывчатые вещества с полимерным связующим .............................. 117
Ссылки ................................................................................................................... 118
Глава 5 Горение кристаллических и полимерных материалов................. 121
5.1 Горение кристаллических материалов ................................................. 121
5.1.1 Перхлорат аммония (ПХА).................................................................... 121
538
5.1.1.1 Термическое разложение ....................................................................... 121
5.1.1.2 Скорость горения.................................................................................... 123
5.1.1.3 Структура волны горения ...................................................................... 123
5.1.2 Нитрат аммония (НА)............................................................................. 123
5.1.2.1 Термическое разложение ....................................................................... 123
5.1.3 Октоген .................................................................................................... 124
5.1.3.1 Термическое разложение ....................................................................... 124
5.1.3.2 Скорость горения.................................................................................... 124
5.1.3.3 Газофазная реакция (Реакция в газовой фазе) ..................................... 126
5.1.3.4 Структура волны горения и теплопередача......................................... 126
5.1.4 Триаминогуанидиннитрат...................................................................... 128
5.1.4.1 Термическое разложение ....................................................................... 128
5.1.4.2 Скорость горения.................................................................................... 132
5.1.4.3 Структура волны горения и теплопередача......................................... 133
5.1.5 Динитрамид аммония (АДН)................................................................. 136
5.1.6 Нитроформат гидразиния (НФГ) .......................................................... 136
5.2 Горение полимерных материалов ......................................................... 137
5.2.1 Нитроэфиры ............................................................................................ 137
5.2.1.1 Разложение метилнитрата...................................................................... 138
5.2.1.2 Разложение этилнитрата ........................................................................ 138
5.2.1.3 Процесс разложения нитроэфиров ....................................................... 138
5.2.1.4 Реакции NO
2
и NO в газовой фазе ........................................................ 139
5.2.2 Полиглицидилазид (ГАП)...................................................................... 141
5.2.2.1 Термическое разложение и скорость горения ..................................... 141
5.2.2.2 Структура волны горения ...................................................................... 144
5.2.3 Бис-азидометил оксетан (ВАМО) ......................................................... 145
5.2.3.1 Термическое разложение и скорость горения ..................................... 145
5.2.3.2 Структура волны горения и теплопередача......................................... 149
Ссылки ................................................................................................................... 151
Глава 6 Горение двухосновных топлив .......................................................... 155
6.1 Горение топлив на основе нитроцеллюлозы и нитроглицерина ...... 155
6.1.1 Характеристики скорости горения ....................................................... 155
6.1.2 Структура волны горения ...................................................................... 157
6.1.3 Модель скорости горения ...................................................................... 161
6.1.3.1 Модель оттока теплоты из газовой в конденсированную фазу ......... 161
6.1.3.2 Скорость горения, вычисленная с помощью упрощенной модели
газовой фазы............................................................................................ 161
6.1.4 Энергетика газовой фазы и скорость горения ..................................... 163
6.1.5 Температурная чувствительность скорости горения.......................... 169
6.2 Горение топлив на основе нитроцеллюлозы (НЦ) и
триметилолэтантринитрата (ТМЭТН).................................................. 173
6.2.1 Характеристики скорости горения ....................................................... 173
6.2.2 Структура волны горения ...................................................................... 174
6.3 Горение нитроазидных топлив.............................................................. 174
539
6.3.1 Характеристики скорости горения........................................................ 174
6.3.2 Структура волны горения ...................................................................... 176
6.4 Катализируемые двухосновные топлива.............................................. 177
6.4.1 Сверхскорость (super-rate), плато- и меза-горение ............................. 177
6.4.2 Влияние свинцовых катализаторов....................................................... 178
6.4.2.1 Характеристики скорости горения катализированных жидких
нитроэфиров ............................................................................................ 178
6.4.2.2 Влияние соединений свинца на реакции в газовой фазе.................... 179
6.4.3 Горение катализированных двухосновных РТ .................................... 180
6.4.3.1 Характеристики скорости горения........................................................ 180
6.4.3.2 Механизм реакции в темной зоне ......................................................... 184
6.4.3.3 Механизм реакции в структуре зоны газификации ............................ 185
6.4.4 Модели сверхскоростного, плато- и меза-горения ............................. 186
6.4.5 Двухосновные топлива, катализируемые LiF...................................... 189
6.4.6 Двухосновные топлива, катализируемые никелем ............................. 191
6.4.7 Подавление сверхскоростного горения и горения с постоянной
скоростью в определенном диапазоне давлений (плато) ................... 193
Ссылки ................................................................................................................... 195
Глава 7 Горение смесевых твердых ракетных топлив (СТРТ).................. 198
7.1 Смесевые твердые ракетные топлива на основе перхлората
аммония (ПХА) ....................................................................................... 198
7.1.1 Структура волны горения ...................................................................... 198
7.1.1.1 Пламя (горение) предварительно подготовленной смеси
частиц ПХА и диффузионное пламя .................................................... 198
7.1.1.2 Структура волны горения РТ на основе ПХА с высоким
содержанием окислителя ....................................................................... 203
7.1.2 Характеристики скорости горения........................................................ 207
7.1.2.1 Влияние размера частиц ПХА............................................................... 207
7.1.2.2 Влияние связующего .............................................................................. 208
7.1.2.3 Температурная чувствительность ......................................................... 211
7.1.3 Катализируемые СТРТ на основе ПХА................................................ 214
7.1.3.1 Положительные катализаторы .............................................................. 214
7.1.3.2 Отрицательный катализатор LiF........................................................... 217
7.1.3.3 Отрицательный катализатор SrCO
3
...................................................... 221
7.2 Нитраминные смесевые твердые ракетные топлива........................... 224
7.2.1 Характеристики скорости горения........................................................ 224
7.2.1.1 Влияние размера частиц нитрамина ..................................................... 224
7.2.1.2 Влияние связующего .............................................................................. 224
7.2.2 Структура волны горения ...................................................................... 226
7.2.3 Топлива на основе октогена и глицидилазидного полимера (ГАП) . 228
7.2.3.1 Физико-химические свойства топлив................................................... 228
7.2.3.2 Скорость горения и структура волны горения .................................... 228
7.2.4 Катализируемые СТРТ на основе нитраминов.................................... 231
7.2.4.1 Горение со сверхскоростью СТРТ на основе октогена ...................... 231
540
7.2.4.2 Сверхскоростное горение топлив на основе октоген-ГАП................ 233
7.2.4.3 LiF катализаторы сверхскоростного горения ...................................... 236
7.2.4.4 Влияние катализатора LiF на волну горения...................................... 237
7.3 Нитраминные СТРТ на основе ПХА .................................................... 240
7.3.1 Теоретические характеристики ............................................................ 240
7.3.2 Скорость горения.................................................................................... 242
7.3.2.1 Влияние отношения компонентов смеси ПХА и RDX и
размера частицы...................................................................................... 242
7.3.2.2 Влияние связующего .............................................................................. 245
7.4 Смесевые твердые ракетные топлива на основе ТАГН - ГАП ......... 246
7.4.1 Физико-химические характеристики.................................................... 246
7.4.2 Скорость горения и структура волны горения .................................... 247
7.5 Смесевые твердые ракетные топлива на основе нитрата аммония
и азида ...................................................................................................... 248
7.5.1 Смесевые твердые ракетные топлива на основе нитрата аммония
и ГАП ....................................................................................................... 248
7.5.2 СТРТ на основе НА-(ВАМО-АММО)-НМХ ....................................... 251
7.6 СТРТ на основе ПХА-ГАП.................................................................... 252
7.7 Смесевые твердые ракетные топлива на основе аммониевой соли
динитроазовой кислоты (АДНА), гексанитрогексаазатетрацикло-
додекана (СL-20) и нитроформиата гидразония (НФГ) .................... 254
Ссылки ................................................................................................................... 255
Глава 8 Горение смесевых модифицированных двухосновных топлив
(СМДТ).................................................................................................... 259
8.1 Характеристики СМДТ .......................................................................... 259
8.2 СМДТ с ПХА........................................................................................... 259
8.2.1 Структура пламени и способ горения .................................................. 259
8.2.2 Модели скорости горения...................................................................... 261
8.3 СМДТ с нитраминами ............................................................................ 264
8.3.1 Структура пламени и механизм горения.............................................. 264
8.3.2 Характеристики скорости горения ....................................................... 267
8.3.3 Тепловая структура волны..................................................................... 268
8.3.4 Модель скорости горения ...................................................................... 274
8.4 Горение с плато катализируемых СМДТ с октогеном ....................... 276
8.4.1 Характеристики скорости горения ....................................................... 276
8.4.2 Структура волны горения ...................................................................... 277
8.4.2.1 Расстояние пламени от горящей поверхности..................................... 277
8.4.2.2 Каталитическая активность ................................................................... 278
8.4.2.3 Теплопередача на горящей поверхности ............................................. 280
Ссылки ................................................................................................................... 282
Глава 9 Горение взрывчатых веществ............................................................ 283
9.1 Детонационные характеристики ........................................................... 283
9.1.1 Скорость и давление детонации............................................................ 283
9.1.2 Оценка скоростей детонации ВВ типа CHNO..................................... 284