Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Литературный обзор 11
1.1. Принципы, схемы и выгоды импульсных двигателей 11
1.2. Новый подход к решению задачи 20
1.3. Генерация ударных волн в трубе и в открытом пространстве 27
Глава 2. Подходы к организации работы импульсных двигателей 33
2.1. Инициирование быстрых волновых режимов в топливо-воздушных смесях в режиме самовоспламенения 33
2.2. Инициирование быстрых волновых режимов в топливо-воздушных смесях инжектированием продуктов реакции 37
2.3. Волновые процессы при истечении продуктов разложения изопропил нитрата и нитрометана в воздух 42
Проверка работоспособности схемы при использовании нитрометана в качестве топлива 42
Проверка работоспособности схемы при использовании в качестве топлива изопропил нитрата. 45
2.4. Импульс тяги, генерируемый приистечении продуктов разложения изопропил нитрата и нитрометана в воздух 50
2.5. Характеристики работы импульсных устройств с многоструйным истечением продуктов разложения монотоплива в воздух 53
2.6. Многотактныи режим струйного истечения при самовоспламенении монотоплив 58
2.7. Усиление искровых разрядов введением монотоплива в искровой промежуток 61
Исследования инициирования капли нитрометана электрическим разрядом в форкамере 62
Исследование впрыска струи продуктов из форкамеры малого объема в трубку-распределитель для создания скоростного многоточечного впрыска продуктов в ТВС 64
Оптимизация экспериментальной установки направленная на увеличение скорости движения продуктов инициирования капли нитрометана в канале 67
Глава 3. Генерация взрывных волн в каналах при струйном истечении продуктов конвективного горения смесей твердый окислитель-алюминий 69
3.1 Амплитуды и импульсы взрывных волн, полученных от зарядов различной конструкции 70
Исследование ТВС, предварительно созданной в канале 70
Создание ТВС при помощи инжектирования высокоскоростной реагирующей струи 73
Методика получения ТВС при помощи заряда с разрывающейся оболочкой 74
Двухтактная схема заряда 77
3.2 Электрические и эмиссионные свойства продуктов взрыва низкоплотных гетерогенных взрывчатых смесей 81
Оценка излучения из облака продуктов взрыва 82
Электропроводность продуктов взрыва 88
Облако продуктов взрыва как возможное рабочее тело МГД-
генераторов 90
Основные результаты и выводы 94
Список литературы
- Новый подход к решению задачи
- Инициирование быстрых волновых режимов в топливо-воздушных смесях инжектированием продуктов реакции
- Исследование впрыска струи продуктов из форкамеры малого объема в трубку-распределитель для создания скоростного многоточечного впрыска продуктов в ТВС
- Электрические и эмиссионные свойства продуктов взрыва низкоплотных гетерогенных взрывчатых смесей
Введение к работе
Одним из самых распространенных методов генерации взрывных волн -детонация энергетических материалов и газовых смесей - может оказаться не самым выгодным в некоторых практических применениях, где требуются ударные волны, долго сохраняющие высокую амплитуду и длительность, то есть обладающие большим импульсом при умеренном уровне максимального давления. Кроме того, во многих реальных ситуациях энергетические материалы детонируют в режимах, далеких от идеальных, с выделением только части энергии в самой детонационной волне и существенным вкладом догорания за плоскостью Чепмена-Жуге в поведение взрывной волны. В особенности это касается аварийных взрывов и взрывов гетерогенных смесевых зарядов, при которых реакция горения инициируется слабыми источниками энергии и разлетающийся реагирующий гетерогенный материал долго поддерживает ударную волну, расширяя тем самым зону разрушений. Поскольку в большинстве случаев смесе-вые энергетические материалы потенциально содержат больше энергии, чем гомогенные взрывчатые составы и, кроме того, возможное смешение расширяющихся богатых топливом продуктов может существенно увеличить выделившуюся энергию на единицу веса энергетического материала за счет меньшего количества окислителя в нем.
В отличие от так называемых идеальных взрывов, при которых стадия выделения энергии занимает пренебрежимо малое время по сравнению со временем распространения взрывных волн с практически важной амплитудой, исследованных достаточно подробно экспериментально и теоретически, эффективность неидеальных взрывов с затянутым тепловыделением зависит от многих факторов, среди них динамика превращения энергетического материала внутри взрывного устройства, от которой зависит начальная ударная волна, рождаемая в окружающей среде, и характеристики истечения богатых топливом продуктов: температура и концентрация частиц, способных реагировать с воздухом, скорость истечения, плотность струи; интенсивность смешения мате-
риала струй с воздухом и глубина проникновения струй, воспламенение и реагирование частиц в воздухе. Эти процессы вкупе практически не исследованы.
Быстрое выделение энергии при смешении богатых топливом продуктов горения конденсированных систем и способность этой выделившейся энергии поддерживать волны давления открывает уникальную возможность разработки импульсных двигателей, которые комбинируют концепции ракетного и воздушно-реактивного движения. При этом использование жидких унитарных топлив, таких, например, как изопропил нитрат может довольно эффективно решить проблему возбуждения импульсных режимов сжигания топлива при высоких давлениях, а именно, самовоспламенением впрыснутого топлива в предварительно нагретом инжекторе, размещенном в основной камере сгорания, в которую вводится только воздух. Данная схема организации процесса может сильно упростить конструкцию двигателя и сократить его размеры.
Поскольку генерация импульсной тяги и взрывных волн при взрывах богатых топливом энергетических материалов имеет общую природу и одинаковые нерешенный проблемы, в настоящей работе предпринята попытка экспериментально исследовать возможность эффективного использования энергии сгорания топлива в процессе его смешении с воздухом.
Актуальность темы
Взрывные волны средней амплитуды достаточно большой длительности являются основным переносчиком импульса и энергии. Существует целый ряд систем, в которых используются эти волны: импульсный детонационный двигатель, промышленные технологии взрывной штамповки и формовки материалов, аварийные взрывы конденсированных систем. Эти волны генерируются интенсивной реакцией энергетического материала, как в самом заряде, так и при смешении богатых горючим продуктов и несгоревшего исходного вещества с воздухом. Использование детонирующих систем в практических устройствах создает технические сложности, связанные, прежде всего, со слишком большими разрушающими давлениями вблизи заряда. В диссертационной работе зада-
ча генерации импульсов давления решается методом инжектирования реагирующих струй гетерогенного топлива в воздух. В этом случае быстрое вовлечение в реакцию большого объема образующейся гетерогенной смеси приводит к возникновению переходных режимов, которые не являются детонационными, однако весьма близки к ним по параметрам образующихся взрывных волн. Повышенная плотность и высокие энергетические параметры инжектируемого топлива делают возможным создание более высоких импульсов давления, чем при взрывах газовых смесей. К сожалению, практически не проводились исследования истечения реагирующих гетерогенных струй в воздух с генерацией интенсивных взрывных волн. Поэтому решение поставленной задачи является актуальным для разработки многих практических устройств и для оценки последствий аварийных взрывов.
Цели исследования
Цель работы - экспериментальное исследование эффективности различных способов получения взрывных волн с высоким импульсом путем впрыска реагирующего гетерогенного топлива в воздух.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:
Анализ различных схем малогабаритных импульсных реактивных двигателей для выбора наиболее целесообразной схемы, обеспечивающей высокое значение импульса тяги.
Экспериментальная оценка характеристик волн давления, генерируемых при взрывах богатых горючим энергетических материалов в каналах, включая амплитудные характеристики, импульс, электрические и оптические параметры.
Выявление природы процессов, ответственных за генерацию импульсов давления на основании сравнения измерений с результатами численного моделирования.
Определение методов оптимизации генераторов импульсов давления.
Научная новизна работы
Впервые предложены и обоснованы способы получения волн давления, обладающих высоким импульсом, рожденных взрывом богатых горючим энергетических материалов в режиме быстрого конвективного горения с выделением дополнительной энергии за счет реакции расширяющихся продуктов горения и не полностью сгоревшего материала с воздухом. Показана возможность получения повышенных значений тротилового эквивалента, как по импульсу, так и по давлению при максимальных амплитудах волн, не превышающих нескольких сот атмосфер.
Впервые показана возможность использования нового способа получения взрывных волн как замены детонационным процессам в импульсных двигателях, в которых сочетаются принципы ракетного и воздушно-реактивного создания тяги. Продемонстрирована возможность достижения импульса тяги, превышающего 500 с, в камерах сгорания длиной существенно меньше 1 м при использовании изопропил нитрата в качестве топлива.
Оценены электрические и излучательные характеристики взрывов энергетических материалов, богатых алюминием, а также показана возможность их применения в ряде практических задач.
Практическая ценность
Предложены и разработаны новые методы получения воздушных взрывных волн амплитудой до 50 атм и длительностью до 10 мс, которые в некоторых практических задачах не только упрощают конструкцию, но и обеспечивают более высокие параметры волн сжатия. Результаты диссертационной работы могут быть использованы при создании новых типов импульсных двигателей, не имеющих предетонаторов, а также при разработке новых типов взрывчатых систем для промышленного применения.
Структура и объем диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения и изложена на Юфстраницах, включая 6 таблиц, 48 рисунков и список литературы из 89 наименований.
Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована проблема, решаемая в работе, дано краткое описание нового подхода организации волновых процессов при использовании в практических целях. Вынесено для дальнейшего обоснования предположение, что в некоторых случаях волны сжатия, рожденные при переходном процессе гораздо выгоднее стационарной детонационной волны.
Новый подход к решению задачи
В случае инициирования равномерно прогретой стехиометрической про-пано-воздушной смеси, заполняющую камеру сгорания, впрыском горячих продуктов реакции такой же смеси из присоединенного инжектора меньшего объема (рис. 5), отделенного от камеры сгорания мембраной, были созданы благо приятные условия для возникновения детонационноподобного процесса при температуре 950 К.
Иным способом генерации волн давления в камере сгорания является перепуск в нее предварительно разогретой гетерогенной смеси. Предполагалось, что использование гетерогенных смесей, частично содержащих окислитель, позволяет организовать энерговыделение уже непосредственно при смешении струи гетерогенной смеси с воздухом в камере сгорания, заполненной воздухом. При этом выделение энергии происходит как в ходе реакции гетерогенной смеси, так и при подмешивании воздуха, который выступает в качестве дополнительного окислителя. Для подтверждения данного предположения были проведены численные расчеты, в которых в качестве топлива использовались или изопропил нитрат (ИПН), диаметр капель которых равнялся 25 мкм, или нитро-метан (НМ) (диаметр капель 25 мкм) с 10%-ой добавкой алюминия, размер частиц которого был выбран равным 3 мкм. В результате было обнаружено [56], что реагирует только некоторая часть заряда, формируя при этом довольно сильную ударную волну. При этом амплитуда волны достигает значений 25-30 атм, а удельный импульс - 240 и 560 с соответственно. Одним из основных процессов, оказывающих влияние на величину единичного импульса в варианте гетерогенного впрыска, является смешение продуктов разложения топлива с воздухом и их последующее дореагирование. В данном случае в камере сгорания осталось до 90% непрореагировавших водорода (//2) и окиси углерода (СО). Причиной такого плохого смешения является поршневое течение, формирующееся в камере сгорания. При этом воздух вытесняется из камеры сгорания продуктами разложения топлива, которые расширяются в направлении стенок камеры сгорания. Это расширение обусловлено ударной волной, распространяющейся к стенкам от инжектора. Вследствие этого область, где находится большинство продуктов реакции, способных к догоранию, и зона, где находится воздух, способный доокислить продукты реакции, разделены поверхностью, через которую смешение происходит очень медленно.
Таким образом, повышение степени смешения и, следовательно, повышение полноты сгорания топлива при гетерогенном впрыске может привести к увеличению удельного импульса.
В режиме детонации заранее перемешанного топлива (ИПН) с воздухом в объеме камеры сгорания (режим полного сгорания) было обнаружено, что амплитуда детонационной волны достигает значений порядка 55 атм, а удельный импульс - 670-680 с. Это значение единичного импульса можно рассматривать как максимальное при гетерогенном впрыске ИПН в воздух.
Для смесей НМ/А1 влияние полноты сгорания менее существенно, так как значение единичного импульса в расчете с гетерогенным впрыском сопоставимо с величиной, полученной при детонации заранее перемешанной топлива с воздухом в камере сгорания. Это объясняется тем, что реакция разложения нит-рометана уже обладает тепловым эффектом, значительно большим, чем реакция догорания его продуктов.
Как показывают результаты расчетов [51, 56] с детонацией смесей пропилен-воздух и водород-кислород, единичные импульсы предварительно перемешанных топливовоздушных смесей значительно превосходят импульсы, получаемые при впрыске гетерогенных смесей (1700 и 4200 с соответственно).
Поэтому для получения высоких единичных импульсов в варианте гетерогенного впрыска необходимо создать улучшенные условия для смешения топлива и продуктов его разложения. Это может быть достигнуто путем добавления соответствующих приспособлений, которые не позволяли бы сформироваться компактной струе и поршневому течению.
Для этого, во-первых, можно разделить торцевой впрыск. Такое разделение можно получить при использовании вложенных трубок, размещенных внутри камеры сгорания и имеющих с ней общую ось (рис. 6) [51]. Трубки крепятся к общему инжектору, занимающему все поперечное сечение камеры сгорания, причем, чем длиннее трубка, тем меньше ее внутренний диаметр. Таким образом, реализовалось пространственное разбиение струи в продольном направлении. Но улучшения смешения струи с воздухом такая конструкция не дала: в объеме камеры сгорания осталось 90% непрореагировавшего ИПН, как и в случае непосредственного впрыска топлива из инжектора - формируется поршневое течение.
Инициирование быстрых волновых режимов в топливо-воздушных смесях инжектированием продуктов реакции
Алюминий используется в качестве высокоэнергетической добавки в ракетных топливах [73], как следствие его высоких тепловых свойств. Степень влияния металла на характеристики зарядов напрямую зависит от их состава и плотности. Введение алюминия в состав неидеальных ВВ с положительным кислородным балансом (НА, ПХА, AND и т.д.) приводит к увеличению скорости детонации [74, 75], работоспособности [76] и ударноволновой чувствительности взрывчатых веществ.
Известно [77], что на минимальную энергию инициирования детонации аэровзвеси алюминия в кислородосодержащей среде сильно влияет размер частиц алюминия: чем больше размер частиц металла, тем больший мощности требуется источник инициирования.
Известно [78, 79], что любые аэровзвеси, в том числе содержащие частицы алюминия, обладают низкой детонационной способностью, в связи с этим повышение реакционной способности взвесей требует специальных подходов, например, предварительный нагрев окислительной среды и частиц.
В отличие от исследований горения частиц алюминия в газообразном окислителе, данных по горению взвесей частиц алюминия в смеси с частицами твердого окислителя мало. При воспламенении частиц алюминия и нитрата аммония, диаметр которых равен 40 мкм, в аргоне процесс горения частиц алюминия определяется скоростью поступления окислителя к частицам. При инициировании конденсированных смесей (КС) слабым источником энергии горение КС сопровождается значительных разбрасыванием материала, создавая при этом волны низкой интенсивности [80]. Но возможно [81], что возможно возникновение и детонационного процесса. Такое различие в сценариях горения зависит от целого ряда причин: размера частиц, способа инициирования, начальной плотности смеси, наличии/отсутствии оболочки и т.д.
В [82] экспериментально подтверждена возможность организации устойчивого самоподдерживающегося режима горения порошкообразных алюминия и ПХА, вследствие увеличения давления в камере сгорания и уменьшению дисперсности горючего, что приведет к увеличению полноты сгорания газовзвеси, и, следовательно, эффективности процесса преобразования химической энергии в тепловую.
В [60] показано, что для инициирования детонации во взвесях алюминий/нитрат аммония (диаметром 3 мкм) = 50/50 при концентрации твердой фа-зы в воздухе не выше 1 кг/м и алюминий/перхлорат аммония = 50/50 необхо-дима энергия не ниже 2 МДж/м . При этом формирование стационарной волны происходит на расстоянии одного метра, но через 3м начинается постепенное затухание пережатой детонации. Однако следует отметить, что амплитуда волны на одинаковых расстояниях при одинаковых массах выше, чем во взвесях тротила, но ниже ТВС, так как теплота сгорания гетерогенных смесей по отношению к газовой смеси ниже, и выше по отношению к тротилу. При этом импульсы взрывных волн, генерируемых гетерогенными зарядами, оказывается выше, чем у тротиловых зарядов той же массы (почти вдвое), но ниже чем у ТВС, что подтверждается экспериментально [83].
При впрыске гетерогенной смеси, содержащей мелкие частицы (алюминий - 10 мкм, НА - 20 мкм) из присоединенного инжектора в камеру сгорания, диметр которой был равен 72 мм и длина 4.8 м, вся впрыснутая масса А1/НА успевает прореагировать в камере сгорания, при этом достигается давление, равное 40 атм.
При впрыске частиц большего размера (около 1 мм для обоих компонентов) было показано, что большая часть смеси слипается в агломераты, и давление в камере сгорания достигает значения не выше 9 атм, которое значительно спадает при выходе из объема камеры сгорания с последующим ростом давления на некотором расстоянии от него за счет распада этих агломератов, что приводит, в свою очередь, к быстрому росту энерговыделения. Кроме того, было показано, что образование облаков продуктов является неоднородным и состоит из областей с различной реакционной способностью и составом, также существуют области с градиентом температур и концентрацией, что благоприятствует переходу горения в детонационноподобный режим.
Кроме высоких тротиловых эквивалентов металлосодержащие энергетические материалы способны производить ионизированные и высокотемпературные продукты сгорания, которые могут быть использованы, например, как рабочее тело импульсных МГД-генераторов [84, 85]. Кроме того, свойство слабо ионизированной плазмы отражать электромагнитные волны частоты выше критической может быть использовано для создания электрических экранов или для получения крупномасштабных импульсов источников излучения (в основном в инфракрасном спектре) большой интенсивности. При остывании облака продуктов, спектр смещается в область более длинных волн с температурами на поверхности от 3410 до 1500 К. На видимую и ближнюю ИК области спектра при температуре, равной 3410 К приходится 20.5% и 78.9% полной интенсивности излучения, при температуре 2800 - 11% и 89%, а при 1500 К - 0.2% и 99.6%. При этом доля энергии, переходящая в излучение приблизительно равна 20% от полной химической энергии.
Интенсивность излучения в микроволновой части спектра и в радиодиапазоне очень мала: 2-г20 10 б% и 1-г14 10" % [86]. Также было обнаружено, что концентрация заряженных частиц в различные моменты времени меняется от 7 1013 до 1.2 1015 см"3, что говорит о непрозрачности облака в первые несколько миллисекунд для электромагнитного излучения в микроволновом диапазоне длин волн (от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров), а степень ионизации продуктов приблизительно равна 0.1%, что по порядку величины совпадает со степенью ионизации продуктов горения твердого ракетного топлива, используемого в современных промышленных МГД-генераторах [73].
Исследование впрыска струи продуктов из форкамеры малого объема в трубку-распределитель для создания скоростного многоточечного впрыска продуктов в ТВС
Как было сказано выше, при неполном сжигании смеси, богатой горючим компонентом, в условиях полузамкнутого объема, сопровождающимся значительным повышением давления конвективном режиме, с последующим истечением продуктов в воздух возможно формирование волн высокой интенсивности длительностью в нескольких миллисекунд. При смешении с воздухом гетерогенная взрывчатая система может обладать повышенной в сравнении с газовыми смесями энергоемкостью на единицу объема и может быть использована для получения мощных волн сжатия. Использование смеси, содержащей металлическое горючее и твердый окислитель, позволяет управлять процессами внутренней баллистики заряда и оптимизировать параметры взрывной волны.
Как показало численное моделирование, при истечении богатых топливом продуктов смесей, горящих в конвективном режиме, кислород из окружающего воздуха вовлекается в реакцию окисления из-за смешения, обусловленного в большей степени возникающей неустойчивостью Кельвина-Гельмгольдца, и в меньшей неустойчивостью Ламба-Тейлора, которая возникает в основном на начальной стадии истечения, когда течение напоминает поршневое. Времена подмешивания внешнего окислителя достаточно велики, порядка 10 мс для заряда массой 50 г, поэтому отошедшая ударная волна подпитывается энергией достаточно длительное время, чтобы её интегральный импульс достиг значительной величины. Т.о. происходит перераспределение выделения энергии в область, ограниченную контактной поверхностью. При этом, хотя реакция и протекает в режиме весьма далеком от детонационного, параметры взрывной волны находятся в выгодном с практической точки зрения диапазоне.
Для проверки этого предположения были проведены эксперименты по оценке эффективности зарядов различного типа в сравнении с тротилом, а также поиск основных факторов, влияющих на параметры волн сжатия. Важной задачей при этом являлся подбор конструкции заряда, позволяющий варьировать скорость, давление и температуру инжектируемой смеси, а также степень и скорость смешения с воздухом.
В цилиндрический инжектор с прочной или слабой разрывающейся оболочкой помещалась богатая металлическим горючим смесь. Смесь порошкообразного алюминия марки ПАП-2 с характерным размером частицы 1x10x10 мкм и окислителя (ПХА 100 мкм) смачивалась керосином или НМ для уменьшения пористости, и, как следствие, возможного перехода конвективного горения в детонацию. Следует отметить, что горение заряда намеренно замедлялось, чтобы обеспечить оптимальные условия для диспергирования частиц и умеренные скорости впрыска, ввиду того, что численное моделирование показало преимущества достаточно медленного истечения прогретой смеси - зона удовлетворительного смешения в этом случае распространяется на большие расстояния от заряда. Смесь воспламенялась либо от одного из концов заряда навеской дымного пороха, либо продуктами сгорания стехиометрической смеси алюминия и ПХА в металлической перфорированной трубке-флейте для насыщения смеси газообразными продуктами, способствующими диспергированию частиц. По достижении определенного давления разрывалась мембрана или оболочка инжектора, и реагирующая смесь впрыскивалась в ударную трубу. Продолжая реагировать, смесь смешивается с воздухом, образуя гетерогенную ТВС, в которой градиенты температуры и плотности формируют волны сжатия. Эволюции этих волн фиксировались датчиками давления, размещенными вдоль ударной трубы.
Прежде чем приступить к исследованию различных конструкций зарядов была предпринята попытка ответить на вопрос - какую выгоду можно ожидать от применения богатой металлическим горючим гетерогенной смеси в случае ее использования в каналах. Действительно необходима какая-то точка отсчета, относительно которой можно было бы судить об эффективности заряда. Поэтому в этих предварительных опытах было решено отступить от большей степени технической задачи обеспечения однородного смешения ТВС в канале и инициирования переходного процесса, обеспечивающего рождение волны сжатия и создать взвесь в канале наиболее простым способом, распылив смесь за достаточно длительное время с последующим инициированием образовавшейся ТВС зарядом кислородной смеси. Загруженная с инжектор (рис. 36) смесь состояла из алюминия и нитрата аммония в стехиометрическом соотношении с учетом воздуха внутри ударной трубы, массой 200 или 180 г. Будучи воспламенена, реагирующая смесь выбрасывалась в канал калибром 120 мм и спустя 15 мс, необходимых для смешения с воздухом, инициировалась 2 л пропилено-кислородной смеси, детонировавшей при начальном давлении 5 ата.
Электрические и эмиссионные свойства продуктов взрыва низкоплотных гетерогенных взрывчатых смесей
Максимальное количество смеси, которое может быть загружено в инжектор - 50 г. Этого количества достаточно для создания в тестовой секции длиной 1 м концентрации твердой фазы приблизительно до 10 кг/м . Смесь инициировалось сжиганием водородо-кислородной смеси при давлении 5 атм. Инжектор герметизирован разрывающейся мембраной. Горящая смесь инжектируется в разгонную секцию ударной трубы длиной 1.2 м и 70 мм в диаметре, заполненную водородо-кислородной смесью при атмосферном давлении. Ожидается, что двухфазные продукты детонации гетерогенной смеси будут подогреты продуктами детонации газовой смеси и ускорены, потому что они распространятся в том же самом направлении, что и волна в газовой смеси. Кроме того, избыточный алюминий должен окисляться продуктами детонации газовой смеси. Тестовая секция представляет собой толстостенный цилиндр из диэлектрика длиной 300 мм. Она имеет катушку на её внешней поверхности для регистрации электродвижущей силы (120 витков). Установка также используется для изучения инфракрасного и радиоизлучения (до 2,4 ГГц). При записи электромагнитного излучения, использовался волновод, предназначенный для измерений в диапазоне частот 1-3 ГГц и детектор с полосой пропускания 2.4 ГГц. Чувствительность системы детектор - волновод - широкополосный усилитель была 50 мВт/В. Слабое излучение в инфракрасном диапазоне регистрировалось при помощи фотодиода, а удельная электропроводность плазмы измерялась двухэлек-тродными зондами.
В первом опыте инжектор был загружен 50 г смеси, состоящей из 25 г перхлората аммония и 25 г алюминия и заполнен инициирующей газовой смесью водород-кислород при давлении в 5 атм. В этом эксперименте достигнута наибольшая скорость волны в трубе порядка 4 000 м/с. В ряде опытов зарегистрирована двухволновая структура с максимумом проводимости во второй волне.
В следующих опытах перхлорат аммония был заменен азотнокислым калием, и кроме того, определялась скорость волны по фронту ионизованного облака. Профиль проводимости плазмы, оцененной по записи ионизационного тока, показывает, что в максимуме проводимость достигает 102 См/м, и кратко-временно до 10 См/м. Длительность импульса проводимости на уровне, превышающем 1 См/м - 20 мс, и 0,1 мс на уровне до 103 См/м соответственно.
Анализ гармоник сигналов, зарегистрированных катушкой индуктивности и детектором с волноводом, показывает, что существует в основном два диапазона частот колебаний сигнала: в области 15-20 кГц и 1 - 3 кГц. С увеличением доли алюминия в смеси скорость и давление волны несколько снижаются, а удельная электропроводность продуктов увеличивается. Эти экспериментальные результаты не противоречат термодинамическим вычислениям, так как металлический алюминий вносит значительный вклад в концентрацию заряженных частиц.
Некоторые выводы
Эксперимент показывает, что реагирующее облако продуктов неполного сгорания конденсированных смесей алюминиевых частиц с окислителем в воздухе непрозрачно в течение нескольких миллисекунд для радио и микроволнового излучения, и в течение более чем 100 миллисекунд - для оптического излучения. Облако представляет собой источник интенсивного инфракрасного и оптического излучения. Это связано с высокой степенью ионизации продуктов реакции, особенно когда в качестве окислителя используется азотнокислый калий, высокими концентрациями твердых частиц и их температурой. Термодинамические расчеты дают величины всех измеряемых параметров, превышающие экспериментальные, поэтому не удивительно, что эксперимент дает такие, казалось бы, очень высокие значения проводимости. Термодинамические расчеты показывают также, что металлический алюминий, присутствующий в продуктах, реакции вносит заметный вклад в концентрацию электронов.
Зарегистрированное радио- и микроволновое излучение, скорее всего, имеет термическую природу, хотя нельзя исключать и формирование локальных диполей за счет диффузионного разделения зарядов, имеющих разные массы (или при движении в слабом земном магнитном поле), в сильно неоднородном течении гетерогенной среды. В обоих случаях интенсивность излучения должна модулироваться флуктуациями скорости и концентрацией заряженных частиц. Действительно, частоты модулированного сигнала излучения близки к частотам флуктуации давления и оцененным характерным частотам газодинамических колебаний: акустических в пределах областей, занятых вихрями (в области 1 кГц), и в пределах камеры (0,1 кГц), колебания с частотой до 20 кГц, по-видимому, связаны с мелкомасштабными флуктуациями. Колебания сигнала, зарегистрированного в опытах с трубой, соответствуют характерным временам газодинамических колебаний (радиальных и тангенциальных). Микроволновое излучение, зарегистрированное после начального участка с колебаниями и имеющее форму разрывных сигналов, скорее всего, есть результат ударов волн давления по торцу трубы, к которому прикреплен волновод.
