Исследование процессов воспламенения и горения высокоэнергетических материалов, содержащих ультрадисперсный порошок алюминия

Актуальность темы

диссертации. Повышение энергетических характеристик высокоэнергетических материалов (ВЭМ) в последние 40 лет связано с использованием порошков металлов (в основном алюминия) в качестве одного из основных компонентов, весовое содержание которого в твердых ракетных топливах (ТРТ) достигает 22%. Опыт использования, а также обширные экспериментальные и теоретические исследования таких топлив, проводившиеся в России, США, Западной Европе, Японии и Китае, выявили ряд их недостатков, обусловленных недогоранием металла, двухфазными потерями удельного импульса тяги двигателя и эрозионным воздействием на стенки соплового блока.

Создание нового поколения ВЭМ требует поиска новых альтернативных подходов, в качестве которых наиболее перспективными представляются разработка ТРТ с принципиально новыми рецептурами окислителей и горючих,.

Ь- —-4 а также применение в составе ВЭМ ультрадисперсных порошков (УДП) металлов, размеры частиц которых на порядки ниже, чем у штатных порошков [1−5].

В развитых странах (США, Германия, Италия, Франция) проводятся широкомасштабные скоординированные исследования по созданию нового поколения твердотопливных и гелеобразных композиций, содержащих УДП металлов. Среди иностранных исследовательских центров наиболее активно работают в этом направлении Pensylvania State University, USA (К.К. Kuo, М.М. Mench, S.R. Turns, S.C. Wong), Politecnico di Milano, Solid Propulsion Laboratory, Italy (L. De Luca, F. Severeni, L. Golfetti), Argonide Corporation, USA (F. Tepper, L.A. Kaledin), Conseiller Scientifique Matcriaux, France (Christian Perut, Guy Jacob) и ряд других организаций. В целом проводимые работы представляют скоординированную совокупность поисковых и прикладных исследований в области создания перспективных топливных композиций на основе УДП металлов. Такой подход при наличии полноценного финансирования работ позволяет обеспечить достижение поставленных целей даже в условиях довольно высокой неопределенности результатов отдельно взятых направлений исследований. Это может обеспечить в ближайшем будущем появление ВЭМ с принципиально новым уровнем характеристик. В России исследования проблем создания топливных композиций с УДП металлов в настоящее время ведутся в ИХКГ СО РАН (г. Новосибирск), ВАРВСН МО РФ (г.Москва), ИПХЭТ СО РАН (г. Бийск), НИИ ПММ (г. Томск). В области технологии получения УДП металлов Россия в настоящее время занимает передовые позиции. В настоящее время известен целый ряд методов получения УДП металлов, включающих механическое дробление и распыление, химические и физико-химические методы, использование взрыва (в частности, для получения ультрадисперсных алмазов), плазменные и электровзрывные технологии. По сути, все эти методы сводятся к двум процессам — формированию малых частиц из атомов, молекул, кластеров и диспергированию макротел. Проведенный анализ характеристик получаемых порошков, энергозатрат и производительности известных методов показал, что наиболее перспективными и отработанными являются метод электродуговой плазменной переконденсации (ЭНН) металлов, метод электрического взрыва проводников (ЭВП) и пневматический метод, разработанный в НИИ ПММ. Наиболее отработанной является технология получения УДП металлов методом ЭВП, созданная в Институте высоких напряжений при Томском политехническом университете. Установки для получения УДП металлов этим методом действуют в ИСЭ ТФ СО РАН, РИТЦ ТФ СО РАН и ИВН при ТПУ (г. Томск). Порошки Alex со средним диаметром частиц ~ 0.1 мкм, полученные электровзрывным методом в г. Томске, использовались в упомянутых выше организациях США, Италии, Франции. Опубликованные в открытой литературе данные по характеристикам топливных композиций, содержащих нанопорошки алюминия, относятся в основном к гелеобразным топливамдля твердотопливных композиций получены разрозненные экспериментальные данные по характеристикам зажигания лучистым потоком и закону скорости горения. По предварительным данным добавки УДП металлов могут существенно модифицировать все основные характеристики горения топлив. Так, например, заменой обычного порошка алюминия (типа АСД) на ультрадисперсный можно достичь увеличения линейной скорости горения на порядок. Следует отметить, что при этом химический состав топлива остается неизменным, т. е. УДП металлов играет роль модификатора скорости горения. Замена промышленных порошков алюминия (типа АСД) на УДП (б?~ 0.1 мкм) позволяет повысить энергетические характеристики ВЭМ за счет увеличения полноты сгорания алюминия и снижения уровня двухфазных потерь, связанных с дисперсностью конденсированных продуктов сгорания — оксида алюминия. Одновременно порошки УДП позволяют существенно улучшить воспламеняемость твердых топлив. В известных работах, как правило, использовались порошки, изготовленные электровзрывным методом. Следует отметить значительный разброс и противоречивость опубликованных экспериментальных данных. Вопросы нестационарного и эрозионного горения для нового поколения ВЭМ, а также зажигание кондуктивным тепловым потоком и устойчивость горения ранее не рассматривались. Проведение экспериментальных исследований данных процессов и построение их физико-математических моделей является актуальной проблемой, которая позволит углубить теорию горения конденсированных систем с УДП металлов и разработать принципы их использования в составе нового поколения ВЭМ.

Цель работы состоит в комплексном экспериментальном исследовании процессов воспламенения и горения модельных смесевых твердотопливных и гелеобразных композиций, содержащих порошки ультрадисперсного металла (алюминия, железа, никеля, меди) со среднемассовым размером частиц ~ 0.1 мкм.

Научная новизна работы. На основе проведенных комплексных экспериментальных исследований воспламенения и горения ВЭМ, содержащих УДП алюминия, были получены зависимости времени задержки воспламенения от температуры поверхности пластины (кондуктивный нагрев) tign (T), времени задержки воспламенения от интенсивности излучения (лучистый нагрев) tign (Q), скорости горения от давления окружающей среды и (р) времени задержки воспламенения от температуры окружающей среды tign (T). После анализа результатов, полученных как в настоящей работе, так и другими исследователями, оказалось возможным постулировать общее описание процесса горения, согласующееся с экспериментальными результатами.

Практическая значимость работы. Полученные новые экспериментальные результаты могут быть использованы в развитии теоретических основ применения нового класса ВЭМ в энергоустановках разного назначения (ракетно-космической техники, средств вооружения, пиротехники, газогенераторах, регулируемых ракетных двигателях на твердом и гелеобразном топливах). Замена штатного металлического порошка на ультрадисперсный в составе ВЭМ приводит к уменьшению времени задержки воспламенения и повышению скорости горения, снижению дисперсности конденсированных продуктов сгорания.

Достоверность научных положений и выводов, полученных в работе, основывается на физическом обосновании проведенных экспериментов, воспроизводимостью экспериментальных данных, качественном и количественном соответствии с результатами, полученными другими авторами в пересекающихся областях исследований, использованием апробированных методов измерения и анализа экспериментальных данных.

Положения, выносимые на защиту диссертационной работы:

1. Результаты исследований физико-химических характеристик металлических порошков;

2. Результаты исследований по воспламенению СТТ, содержащих УДП алюминия;

3. Результаты исследований по горению СТТ, содержащих УДП алюминия;

4. Результаты исследований по воспламенению гелеобразных топлив, содержащих УДП алюминия.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на V Всероссийской научно-технической конференции молодежи «Механика летательных аппаратов и современные материалы» (Томск, 1998), на Всероссийских научных конференциях «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, 1999, 2000, 2001, 2002), на Всероссийских научно-технических конференциях «Аэрокосмическая техника и высокие технологии» (Пермь, 2000, 2001, 2002), на III-IV Международных семинарах «Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем» (Санкт-Петербург, 2000, 2004), на Международных конференциях «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии» (Томск, 2000, 2002, Горноалтайск, 2004), на 8th International Workshop on Combustion and Propulsion «Rocket Propulsion: Present and Future» (Pozzuoli, Naples, Italy, 2002), на International Colloquium on Advances in Confined Detonations (Moscow, Russia, 2002), на VI Всероссийской (международной) конференции «Физикохимия ультрадисперсных (нано-) систем» (Томск, 2002), на научной конференции «Физика и химия высокоэнергетических систем». (Томск, 2003), на International Symposium on Combustion and Atmospheric Pollution. (Saint Petersburg, Russia, 2003), на Международной конференции «Фундаментальные и прикладные вопросы механики» (Хабаровск, 2003), на International Workshop «High Energy Materials: Demilitarization and Civil Applications» (Бийск, Белокуриха, 2004).

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в двадцати восьми печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка используемой литературы.

Выводы по пятой главе.

1. Время задержки воспламенения гелеобразных топлив, содержащих УДП алюминия (Alex) меньше, чем для чистого керосина в диапазоне температур Т = (570−975) К, причем разница между значениями tign для металлизированного геля и чистого керосина резко возрастает с ростом температуры.

2. На величину времени задержки воспламенения существенное влияние оказывает способ получения УДП алюминия. С ростом содержания азота в смеси газов, в атмосфере которых проводился электрический взрыв проволочек, величина tign уменьшается более чем в 2 раза.

3.

Введение

УДП алюминия в керосин существенно не влияет на величину эффективной энергии активации, рассчитанной по наклону графиков зависимости логарифма времени задержки воспламенения от обратной температуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Определены насыпная и удельная плотности порошков алюминия разной дисперсности. Для УДП алюминия марки Alex, полученного в аргоне, насыпная плотность равна 0.15 г/см, для УДП А1, полученного методом электродуговой плазменной переконденсации — 0.28 г/см3, для УДП, полученного пневматическим методом — 0.54 г/см .

Определены гигроскопичность и адсорбция влаги для исследуемых УДП алюминия, полученных разными способами. Максимальные значения получены для УДП алюминия, полученного ЭВП в аргоне (17.4% и 42.1%), что соответствует предположению о повышенной активности поверхности частиц по сравнению с другими УДП А1.

Волюмометрическим методом определены составы исследуемых образцов алюминия. С увеличением дисперсности порошков от 100 до 0.1 мкм содержание активного алюминия уменьшается от 98.0 до 85.8%. Исключение составляют УДП алюминия, полученные пневматическим методом. Методом анализа геометрических характеристик функции плотности вероятности получены дифференциальные функции распределения частиц по размерам для штатных порошков алюминия типа АСД и УДП типа Alex.

2. Методом ДТА определена температура начала интенсивного окисления порошков алюминия. Для УДП А1 окисление на воздухе происходит в две стадии.

3. Получены зависимости времени задержки воспламенения СТТ, содержащих порошки алюминия разной дисперсности, от интенсивности излучения tign{Q) на установке лучистого нагрева «Уран-1». Время задержки воспламенения СТТ, содержащих УДП алюминия, меньше по сравнению с СТТ, содержащих порошок алюминия более крупной дисперсности в диапазоне интенсивности излучения (60 -s- 280) Вт/см, причем разница tign резко возрастает с увеличением интенсивности излучения.

Получены зависимости времени задержки воспламенения СТТ, содержащих порошки алюминия разной дисперсности, от температуры поверхности пластины tign (T) на установке кондуктивного нагрева (нагретом блоке) в диапазоне температур (550 -ь 750) К. Замена промышленного порошка алюминия на УДП приводит к уменьшению времени задержки воспламенения.

Введение

УДП меди и железа в состав СТТ, содержащих промышленный порошок алюминия, приводит к значительному снижению времени задержки воспламенения, причем, чем меньше размер частиц металлов, тем эффективнее его действие.

4. Получены зависимости скорости горения СТТ, содержащих порошки алюминия разной дисперсности, от давления окружающей среды и (р). Скорость горения СТТ, содержащих УДП алюминия, выше по сравнению с СТТ, содержащими порошок алюминия более крупной дисперсности в диапазоне давления окружающей среды (0.1 -е- 8.0) МПа, причем разница в скорости горения резко возрастает с увеличением давления окружающей среды. Для СТТ на основе ПХА и БК обнаружено увеличение показателя в степенном законе скорости горения при введении УДП алюминия в топлива.

Введение

порошка железа, никеля, меди в топливную композицию в качестве катализатора также приводит к увеличению скорости горения СТТ.

5. Предложен механизм влияния УДП металлов на горение металлизированных СТТ на основе теории горения гетерогенных конденсированных систем Я.Б. Зельдовича-Н.Н. Бахмана. Влияние УДП металлов на воспламенение и горение СТТ связано с увеличением теплового потока на поверхность горения, которое приводит к увеличению скорости горения СТТ. Развитая поверхность УДП металлов, высокая скорость горения частиц, локализация горящих частиц вблизи поверхности горения СТТ обеспечивают существенное увеличение скорости тепловыделения за счет гетерогенных реакций на поверхности частиц.

6. Получены зависимости времени задержки воспламенения жидких углеводородных топлив, содержащих порошки алюминия разной дисперсности, от температуры воздуха в реакторе tig"(T). Время задержки воспламенения гелеобразных топлив, содержащих УДП алюминия (Alex), меньше, чем для чистого керосина в диапазоне температур Т= (570+975) К, причем разница между значениями tign для металлизированного геля и чистого керосина резко возрастает с ростом температуры.

На величину времени задержки воспламенения существенное влияние оказывает способ получения УДП алюминия. С ростом содержания азота в смеси газов, в атмосфере которых проводился электрический взрыв проводников, величина tign уменьшается более чем в 2 раза.

Введение

УДП алюминия в керосин существенно не влияет на величину эффективной энергии активации, рассчитанной по наклону графиков зависимости логарифма времени задержки воспламенения от обратной температуры.

Полученные новые экспериментальные результаты могут быть использованы в развитии теоретических основ применения нового класса ВЭМ в энергоустановках разного назначения (ракетно-космической техники, средств вооружения, пиротехники, газогенераторах, регулируемых ракетных двигателях на твердом и гелеобразном топливах).