Введение к работе
Актуальность проблемы. Исследование механизма горения конденсированных систем (КС) представляет значительный интерес как с фундаментальной, так и с практической точек зрения. Знание реальных физико-химических процессов, происходящих при горении, необходимо для решения фундаментальной научной проблемы состоящей в построении модели горения конденсированного вещества основанной на реальной кинетике в зонах горения. Изучение влияния различных факторов (дисперсности окислителя, добавок катализаторов и ингибиторов и др.) на горение КС позволяет создать топливные композиции, обладающие требуемыми для практического применения в ракетной технике баллистическими характеристиками (высоким удельным импульсом, слабой зависимостью скорости горения от давления и др.). В продуктах горения современных топлив на основе перхлората аммония содержится хлористый водород, который при запусках ракет в больших количествах попадает в атмосферу. Поэтому в настоящее время большое внимание уделяется разработке новых экологически безопасных бесхлорных топлив. Одним из классов таких топлив и первым объектом исследования являются топлива на основе динитрамида аммония (АДНА). Этот окислитель является экологически безопасным и простым по химическому составу, что делает топлива на его основе также удобными объектами исследований. Другим классом топлив, не содержащих хлора, и вторым объектом исследования являются топлива на основе октогена и глицидилазидполимера (ГАТТ). Такие топлива обеспечивают высокий удельный импульс и при этом выделяют мало дыма, поэтому их исследование представляет значительный интерес.
Цель работы. Основной целью данного исследования являлось установление механизма
горения бесхлорных топлив АДНА/поликапролактон(ПКЛ) и
октоген/глицидилазидполимер(ГАП), получение данных, которые могли бы быть использованы для создания моделей горения этих топлив, а также установление основных характеристик горения топлива АДНА/ПКЛ для нахождения оптимальных композиций, обладающих максимальным удельным импульсом и малым барическим показателем в законе скорости горения. Для достижения этой цели в случае топлива АДНА/ПТКЛ была поставлена задача изучить структуру пламени при атмосферном давлении, измерить состав продуктов горения при давлении 4 МПа, а также измерить скорость горения топлива в широком диапазоне давлений и установить влияние молекулярного веса ПКЛ и различных добавок на зависимость скорости горения от давления. В случае топлив на основе циклических нитраминов была поставлена задача изучить химическую структуру пламени при давлениях 0,5 и 1 МПа. Отдельной задачей являлось исследование узкой приповерхностной зоны горения с целью установления состава продуктов вблизи поверхности горения топлива и установления присутствия паров нитраминов в этой зоне.
Научная новизна. В представляемой работе впервые была детально изучена структура пламени топлива октоген/глицидилазидполимер при давлениях 0,5 и 1 МПа. Идентифицированы 11 газообразных компонент, измерены профили их концентраций.
РОС. НАЦИОНАЛЬНА) \ БИБЛИОТЕКА І
Shsms!
2 Впервые были идентифицированы пары октогена в пламени и измерена их концентрация. Определен состав продуктов вблизи поверхности горения топлива октоген/ГАП при давлениях 0,5 и 1 МПа. Экспериментально установлена двухзонная структура пламени топлива октоген/ГАП при этих давлениях.
Установлено влияние молекулярного веса поликапролактона (ПКЛ) и добавок катализаторов и ингибиторов на скорость горения топлива АДНА/ПКЛ и ее зависимость от давления. Найден состав смесевых топлив на основе АДНА/ПКЛ с добавками алюминия, обеспечивающий высокий удельный импульс и приемлемую для практического применения зависимость скорости горения от давления. Получены данные по структуре пламени топлива АДНА/ПКЛ при давлении 0,1 МПа. Определен состав продуктов горения в темной и светящейся зонах пламени. Показано, что в темной зоне пламени топлива АДНА/ПКЛ при 0,1 МПа протекают главным образом те же самые реакции, которые протекают в темной, прилегающей к поверхности горения чистого АДНА, зоне при 0,6 МПа.
Практическая денность. В данной работе расширена область применения методики масс-спектрометрического зондирования на область высоких давлений. Полученные экспериментальные данные могут быть использованы для создания реальных топлив на основе АДНА, а также для разработки и проверки достоверности моделей горения топлив АДНА/ПКЛ и октоген/ГАП.
Публикация и апробация работы. Результаты исследований опубликованы в 16 работах. Результаты работы докладывались на 32-ой и 33-ей Международных Конференциях Института Химических Технологий (Карлсруэ, Германия, 2001 и 2002 г.), 29-ом Международном Симпозиуме по горению (Саппоро, Япония, 2002 г.), 8-ом Международном Семинаре по горению и ракетному движению (Поццуоли, Италия, 2002), 9-ом Международном Семинаре по горению и ракетному движению (Леричи, Италия, 2003), 30-ом Международном Симпозиуме по горению (Чикаго, США, 2004 г.), на Международной Конференции по горению и детонации - Мемориал Зельдовича II (Москва, Россия, 2004), Международном Семинаре по высокоэнергетическим материалам (Белокуриха, Россия, 2004), 2-ом Международном Семинаре-школе по масс-спектрометрии (Звенигород, Россия, 2004).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка использованной литературы. В первой главе дан обзор литературы по топливам на основе АДНА и топливам на основе нитраминов и азидополимеров. Во второй главе описаны экспериментальные методы, использованные при проведении данного исследования. Они включают в себя: методику определения скорости горения твердых топлив, термопарную методику и методику зондирования пламен конденсированных систем с помощью молекулярно-пучковой масс-спектрометрии. Приведено обоснование методики масс-спектрометрического зондирования пламен твердых топлив при высоких давлениях (0,5-1 МПа). Описаны калибровочные эксперименты по парам октогена. В третьей главе приведено описание и обсуждение результатов полученных для топлив АДНА/ПКЛ.
Представлены результаты экспериментов по изучению структуры пламени топлива АДНА/ПКЛ при атмосферном давлении, а также температуры и состава продуктов горения при давлении 4 МПа. Приведены результаты экспериментов по измерению зависимости скорости горения от давления для топлив АДНА/ПКЛ в диапазоне давлений 4-8 МПа и установлению влияния на нее различных параметров, таких как молекулярный вес ПКЛ, размер частиц АДНА, начальная температура топлива, а также различных добавок к топливу. Обсуждается место действия катализатора СиО. В четвертой главе приведено описание и обсуждение результатов экспериментов по установлению структуры пламени топлива октоген/ГАП при высоких давлениях. Работа изложена на 104 страницах и включает 31 рисунок, 19 таблиц и библиографию из 57 наименований.
Работа выполнена в лаборатории кинетики процессов горения ИХКиГ СО РАН в рамках Российско-Американского сотрудничества по контрактам DAAH01-98-C-R151 и DAAD19-02-1-0373, атакже при поддержке фонда РФФИ по гранту № 00-03-32429.
