Содержание к диссертации
Введение
Особенности зажигания и горения высокоэнергетических материалов, содержащих ультрадисперсные порошки металлов 11
Способы получения и основные характеристики ультрадисперсных порошков металлов
1. Характеристики дисперсного состава порошков 11
2. Анализ способов получения ультрадисперсных порошков 16
3. Физико-химические свойства ультрадисперсных порошков металлов 25
Требования к металлическим горючим как к компонентам высокоэнергетических материалов 29
Зажигание и горение высокоэнергетических материалов, содержащих ультрадисперсные порошки металлов 31
1. Смесевые твердые топлива 33
2. Гелеобразные топлива 39
Исследование физико-химических характеристик порошков алюминия
Дисперсные характеристики порошков 42
Определение удельной и насыпной плотности порошков алюминия 47
Определение гигроскопичности порошков алюминия и адсорбции влаги 52
Определение содержания активного алюминия 54
Определение температуры окисления порошков алюминия 56
Экспериментальное исследование процесса воспламенения смесевых композиций 61
Характеристики смесевых композиций 61
Методика изготовления смесевых композиций 61
Составы смесевых композиций 62
Воспламенение смесевых композиций с помощью лучистого нагрева 65
Методика исследования 65
Результаты исследования 68
Воспламенение смесевых композиций с помощью кондуктивного нагрева 72
Методика исследования 72
Результаты исследования 74
Экспериментальное исследование процесса горения смесевых композиций 87
Составы смесевых композиций 87
Горение смесевых композиций на воздухе 87
Горение смесевых композиций в бомбе постоянного давления 90
Результаты исследования 90
Механизм горения смесевых композиций 99
Экспериментальное исследование процесса воспламенения гелеобразных топлив 108
Методика изготовления гелеобразных топлив
Воспламенение гелеобразных топлив 109
Результаты исследования 113
Заключение 121
Список литературы 124
- Физико-химические свойства ультрадисперсных порошков металлов
- Зажигание и горение высокоэнергетических материалов, содержащих ультрадисперсные порошки металлов
- Определение гигроскопичности порошков алюминия и адсорбции влаги
- Экспериментальное исследование процесса воспламенения гелеобразных топлив
Введение к работе
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, 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 (K.K. Kuo, M.M. 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
5 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 рад 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 (ЭПП) 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 топливам; для 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 (d~ 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
7 задержки воспламенения от интенсивности излучения (лучистый нагрев) tign(Q), скорости горения от давления окружающей среды и(р) времени задержки воспламенения от температуры окружающей среды tig„(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 зашиту диссертационной работы:
Результаты исследований физико-химических характеристик металлических порошков;
Результаты исследований по воспламенению СТТ, содержащих УДП алюминия;
Результаты исследований по горению СТТ, содержащих УДП алюминия;
Результаты исследований по воспламенению гелеобразных топлив, содержащих УДП алюминия. я 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 I1I-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.
Диссертация изложена на 138 страницах машинописного текста, содержит 34 рисунка, 26 таблиц, библиография включает 124 наименования.
9 Содержание работы
Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, указываются аспекты данных экспериментальных исследований и их практического применения, сформулированы цели работы.
В первой главе работы приведены характеристики дисперсного состава порошков, представлен обзор литературы по методам получения УДП металла и направления их практического применения. Рассмотрены экспериментальные работы по особенностям зажигания и горения ВЭМ, содержащих порошки металлов.
Во второй главе приведены физико-химические свойства УДП металлов, полученных методом ЭВП. Представлены методы по определению физико-химических характеристик исследуемых образцов алюминия и представлены результаты удельной и насыпной плотностей, гигроскопичности, адсорбции влаги, содержания активного металла и температур начала окисления порошков алюминия разной дисперсности.
В третьей главе приведены характеристики исследуемых СТТ. Представлены методика изготовления СТТ и установки экспериментального исследования процесса воспламенения лучистым и кондуктивным нагревом. Получены зависимости времени задержки воспламенения СТТ, содержащих порошки алюминия разной дисперсности, от интенсивности излучения (лучистый нагрев) и от температуры поверхности пластины нагретого блока (кондуктивный нагрев).
В четвертой главе представлены составы СТТ для экспериментального исследования процесса горения при атмосферном и повышенных давлениях в бомбе постоянного давления. Получены зависимости скорости горения алюминизированных СТТ от давления окружающей среды. Предложен механизм влияния УДП металлов на горение металлизированных СТТ на основе теории горения гетерогенных конденсированных систем Я.Б. Зельдовича-Н.Н, Бахмана.
В пятой главе представлен метод изготовления гелеобразных топлив, содержащих порошки алюминия и методика исследования процесса воспламенения жидких топлив. Получены зависимости времени задержки воспламенения от температуры окружающей среды для рассматриваемых композиций.
В заключительной части сформулированы основные результаты диссертационной работы и рекомендации по их практическому использованию.
Физико-химические свойства ультрадисперсных порошков металлов
Этим способом можно получать УДП металлов, оксидов, карбидов, нитридов, силицидов, сульфидов и др. Электроосаждение применяют при получении порошков металлов и сплавов. Этот способ позволяет выделять порошки металлов и сплавов, не требующих дополнительных мер по защите их поверхности от окисления. В основе электрофлотационного метода получения порошков лежит процесс электрокристаллизации металлов в двухслойной ванне с неподвижным пористым катодом при наличии в органическом слое поверхностно-активных веществ.
Металлы и соединения в ультрадисперсном виде можно получать и с помощью метода сушки вымораживанием. Из солей металлов готовят раствор необходимого состава, который быстро замораживают путем распыления в камеру с криогенной средой. Затем давление газовой среды над замороженными гранулами уменьшают таким образом, чтобы оно было ниже точки равновесия, образовавшейся при охлаждении многокомпонентной системы. Материал нагревают в вакууме для возгонки растворителя. Полученный продукт состоит из пористых тончайших гранул одинакового состава. Прокаливанием гранул на воздухе можно получить оксиды, восстановлением - порошки металлов, селективным восстановлением - смесь оксидов и металлов.
К физическим относятся способы [21, 22], основанные на процессах испарения и конденсации. Порошки образуются в газовом объеме или на охлаждаемой поверхности в результате фазового перехода пар - твердое или пар - жидкое - твердое. Процесс "испарение - конденсация" может проводиться в вакууме. Этим способом можно получить УДП различных металлов (алюминия, цинка, свинца и др.), а также сплавов с размерами частиц (0.05 т 1.00) мкм. Ранее при использовании в качестве компонента топливных композиций использовались, например, порошки, полученные физической переконденсацией алюминия. При этом способе получения пересыщенный пар создается в результате испарения металла с нагретой поверхности расплава. Пар или парогазовая смесь, получаемая таким образом, резко охлаждаются в объеме, образуя туман. При последующем охлаждении капли тумана затвердевают, в результате образуется аэрозольная система, состоящая из твердых частиц ультрадисперсного металла, которые в последующем улавливаются. Способ физической переконденсации может быть осуществлен в большом разнообразии аппаратурного оформления, касающегося, в частности, способов нагрева, транспорта паров, их охлаждения и эвакуации из реакционной зоны. К физическим относится также электроэрозионный способ, предложенный для изготовления порошков алюминия, меди, железа, а также способ высокоскоростного затвердевания расплава. Диспергирование исходного сырья при высокоскоростном затвердевании расплава осуществляется с помощью быстровращающегося диска, рабочая кромка которого контактирует с поверхностью расплава на очень коротком участке. Благодаря интенсивному теплообмену твердеющего расплава с диском, изготовленным из материала с высокой теплопроводностью, и быстротечности процесса обеспечивается сверхвысокая скорость, причем она может быть увеличена при возрастании угловой скорости вращения диска.
Таким образом, существующие способы получения не позволяют с высокой производительностью и малыми энергозатратами получать УДП металлов с требуемым для высокоэнергетических систем комплексом характеристик. В большинстве случаев каждый из известных способов получения УДП отличается лишь одним, наиболее важным признаком - или повышенной производительностью, или качеством частиц (узкофракционным составом порошка, формой, либо повышенным содержанием активного металла). Из известных в настоящее время способов получения УДП металлов в качестве перспективных следует рассматривать три способа: электродуговой плазменной переконденсации, ЭВП и пневматический.
При получении УДП металлов все более широкое распространение находит плазменная технология [23-25], использующая электродуговые, высокочастотные и сверхвысокочастотные плазмотроны, нагревающие газ до очень высоких температур. Одним из перспективных является метод электродуговой плазменной переконденсации (ЭПК) [7]. Сырье в виде порошка либо расходуемого электрода (анода) при введении в зону плазмы переходит в парообразное состояние (рис. 1.1). Скорость охлаждения имеет решающее значение для дисперсности, структуры порошка, а также производительности процесса. При скоростях охлаждения (10 ч-10) К/с путем подачи захоложенного газа можно получать, например, УДП с размером частиц (0.005 -г- 0.5) мкм, содержащих активный металл не менее 95 %. Из множества известных технических решений получения УДП металлов с использованием низкотемпературной плазмы наибольший практический интерес представляет технология электродуговой плазменной переконденсации с газовихревой стабилизацией плазмы и замкнутым технологическим циклом. Являясь экологически чистой, взрыво- и пожаробезопасной, она позволяет получать УДП металлов сферической формы любой природы, и их сплавы, оксиды, нитриды, карбиды с регулируемой удельной поверхностью в широких пределах (от 3 до 300 м г), узкофракционным распределением по дисперсности, с метастабильной структурой и повышенной химической активностью. Метод плазменного нагрева исходного сырья для получения УДП металлов существенно устраняет ограничения по температурам плавления и испарения, которые можно было достичь другими способами.
Зажигание и горение высокоэнергетических материалов, содержащих ультрадисперсные порошки металлов
Металлические горючие рассматриваются не только как компоненты, существенно повышающие энергомассовые характеристики высокоэнергетических материалов (ВЭМ), но и как модификаторы быстропротекающих процессов горения и взрыва. При этом в зависимости от дисперсности компонентов, состава смеси, давления в камере сгорания, температуры горения и других факторов, введение, например, порошкообразного алюминия в СТТ может привести как к повышению скорости горения топлива, так и к ее снижению [7]. Существенное ускорение процесса скорости горения происходит лишь при применении УДП металлов, в частности, применении алюминия с размером частиц менее (5 -s-10) мкм, когда тепловыделение при его окислении на ранних стадиях горения превышает затраты тепла, идущие на прогрев частиц.
Наименее исследован, с точки зрения воздействия на баллистические характеристики топлив, порошок алюминия с размером частиц менее 1 мкм. Введение УДП алюминия в состав модельных СТТ вызывает, как правило, увеличение скорости горения. При этом полная замена алюминия обычной дисперсности (типа АСД) на УДП алюминия со среднемассовым размером частиц г 0Л5мкм приводила как к незначительному (не более 25-J-30 %) приращению скорости горения, так и к существенному (в 2 -s- 2.5 раза) ее увеличению. Причину неоднозначного влияния УДП на скорость горения топлив, полученного разными исследователями, следует искать в свойствах порошка, обусловленных способом его получения, а также в химической природе основных компонентов и их соотношении.
Среди свойств, определяющих эффективность УДП металлов как компонента высокоэнергетических систем, наиболее важными являются максимальное содержание активного металла, форма частиц, близкая к сферической, их узкофракционное распределение по дисперсности. Содержание активного металла непосредственно определяет уровень энергетических характеристик ВЭМ. Снижение содержания, например, активного алюминия в порошке на 1 % по массе, приводит к уменьшению термодинамического удельного импульса современных высокоэнергетических топлив на (4 -ь 5) с [41]. Узкофракционное распределение частиц обеспечивает воспроизводимость баллистических характеристик различных партий топлива при одной и той же компонентной основе.
Повышение эффективности применения порошкообразных металлических горючих как модификаторов процесса горения и взрыва, используемых для увеличения скорости горения топлив и детонации взрывчатых веществ, снижения агломерации металлического горючего, может быть обеспечено переводом частиц в ультрадисперсное состояние, введением в их структуру различных металлов другой природы, в том числе каталитически активных или снижающих температуру и время задержки воспламенения (например, медь, хром, железо, никель, цинк).
Наряду с эффективным регулированием баллистических характеристик, применение УДП металлов в составе топлив позволяет существенно снизить двухфазные потери удельного импульса тяги двигателя. Экспериментально показано, что при переводе порошков алюминия в ультрадисперсное состояние изменяется характер горения его частиц в пределах конденсированной фазы топлива. Это выражается в раннем воспламенении отдельных частиц алюминия, изменении теплового баланса в конденсированной фазе и увеличении скорости и полноты тепловыделения в зоне, непосредственно примыкающей к ней, что приводит, в конечном итоге, к изменению закономерностей горения топлив, в том числе агломерации частиц алюминия на горящей поверхности.
Практическое применение УДП металлов как компонента ВЭМ возможно при наличии эффективной технологии предварительной подготовки порошков перед их введением в состав ВЭМ, исключающей коагуляцию частиц в структуре топлив, взрывчатых веществ и не ухудшающей реологических характеристик топливной массы [7]. Исследователями [41-44] было установлено, что значительное влияние на баллистические характеристики СТТ оказывают ультрадисперсные порошки металлов с размером частиц (0.1 1.0) мкм. Это, вероятно, связано с наличием специфических свойств, свойственных для ультрадисперсных порошков. Величина избыточной энергии определяется условиями формирования структуры частиц и, очевидно, может существенно повлиять на эффективность УДП алюминия как модификатора горения СТТ.
Первые экспериментальные исследования по использованию УДП алюминия в составе твердотопливных композиций проводились в СССР (ИХФ АН СССР) в 60-70-х годах под руководством О.И. Лейпунского и М.Я. Гена [43,44]. Частицы алюминия получали методом испарения и конденсации паров алюминия в среде аргона. Размер образующихся частиц варьировался за счет изменения режимов испарения и конденсации. Результаты этих исследований дали обнадеживающие результаты в плане повышения энергетических характеристик СТТ за счет более полного сгорания алюминия и уменьшения размеров частиц оксида алюминия в продуктах сгорания. Эти работы проводились в лабораторных условиях с использованием небольших образцов СТТ. Дальнейшие исследования в данной области были приостановлены вследствие ряда причин, основными из которых являлись отсутствие в то время технологий получения крупных партий УДГТ с химически стабильными частицами и недостаток информации по физике горения и агломерации ультрадисперсных частиц в составе смесевых композиций.
Резкая активизация исследований по использованию УДП в составе топливных композиций, наблюдающаяся с конца 90 годов и по настоящее время, обусловлена двумя факторами: традиционные композиции СП\ содержащие штатные порошки алюминия с дисперсностью (10- 15) мкм полностью исчерпали свои потенциальные возможности, и в ближайшие годы принципиально новых результатов по повышению удельного импульса не предвидится.
Определение гигроскопичности порошков алюминия и адсорбции влаги
Освоенный комплекс методик позволил оценить характеристики используемых партий алюминия и более корректно анализировать результаты влияния введения металла в сложные системы, в том числе в ВЭМ. 1. Получены дисперсные характеристики исследуемых образцов алюминия, определены функции счетного распределения по размерам частиц. 2. 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 А!, полученного методом электродуговой плазменной переконденсации - 0.28 г/см3, для УДП, полученного пневматическим методом - 0.54 г/см3. 3. 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. 4. 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. 5. С помощью метода ДТА порошков алюминия определены температуры начала интенсивного окисления. Для УДП А1 окисление на воздухе происходит в две стадии. Экспериментальные исследования процесса воспламенения проводили на твердых смесевых композициях, состоящих из перхлората аммония (ПХА) различной дисперсностью (менее 50мкм, 160-:-315 мкм) и разного типа горючего-связующего. В качестве горючего использовали бутилкаучук марки БКЛ и полибутадиен с концевыми гидроксильными группами марки R-20LM (ПБКГГ). Образцы диаметром 10 мм и высотой (30 ч-70) мм изготавливали методом проходного прессования с последующим отверждением в сушильном шкафу при температуре 343 К в течение трех суток. В качестве металлического горючего использовали штатные порошки алюминия со средним размером частиц 7.5 и 15мкм (АСД-4, АСД-1), а также порошки ультрадисперсного алюминия различных модификаций, полученные электровзрывным способом, содержание которых варьировалось в диапазоне (5 + 20) %. Кроме того, в состав твердотопливных композиций вводили катализаторы (сажа марки МП-75, порошок железа, средний диаметр частиц которого 50 мкм и ультрадисперсные порошки железа, никеля, меди, полученные методом ЭВП в аргоне) в количестве до 4 %.
Смесевые композиции изготавливали в лабораторных условиях по приведенной ниже методике.
На аналитических весах с точностью до 0.002 г взвешивали компоненты топливной системы из расчета 100 г массы всей смеси и процентного содержания каждого вещества. Навеску окислителя (ПХА) делили на три части. Ко второй части добавляли порошок алюминия. К третьей - отверждающую систему и каталитические добавки. Вторую и третью части окислителя тщательно перемешивали с другими веществами методом пересыпания на листе кальки. Навеску горючего помещали в вакуумный смеситель типа "Бэкен" с самоочищающимися лопастями и перемешивали в течение 30 минут. Добавляли первую часть окислителя, не содержащую другие вещества, и перемешивали 30 минут. Затем останавливали смеситель, проверяли качество перемешиваемой смеси (отсутствие комков). Добавляли вторую часть окислителя, содержащую порошок алюминия, перемешивали 30 минут. Останавливали смеситель и проводили осмотр смеси на отсутствие комков. Добавляли третью часть окислителя, содержащую отверждаюшую систему, включали смеситель и перемешивали в течение 30 минут. После проверки смеси на отсутствие комков включали вакуумный насос и перемешивали полученную массу еще 30 минут при давлении (75 + 80) кПа. Готовую топливную массу помещали в стакан для прессования. Стакан соединяли со сборкой из фторопласта, латуни или алюминия и методом проходного прессования заполняли сборку. В зависимости от условий эксперимента получали цилиндрические образцы диаметром 10 мм, высотой (30 - 70) мм. Заполненную сборку закрепляли в зажим и помещали в сушильный шкаф с температурой 343 К на трое суток. Полимеризованные образцы топлива выпрессовывали и охлаждали до комнатной температуры. Определяли плотность образцов. При визуальном осмотре отбраковывали образцы, имеющие на поверхности и срезе раковины и трещины. Готовые образцы СТТ маркировали и упаковывали в полиэтиленовый мешочек. Хранение проводили при комнатной температуре и относительной влажности воздуха не более 70 %.
Образцы выбирали по плотности для проведения экспериментов. Плотность отвержденных составов составляла (1.76 -1,78) г/см. Для исследования использовали образцы, разброс плотности которых не превышал 0.02 г/см3. Составы исследуемых твердых смесевых композиций представлены в табл. 3.1.
Экспериментальное исследование процесса воспламенения гелеобразных топлив
Гелеобразное топливо приготавливалось путем диспергирования порошка ультрадисперсного алюминия в керосине. Средний диаметр частиц алюминия 0.1 мкм. Массовая доля алюминия в составе топлива составляла г = 0.3. В экспериментах использовались ультрадисперсные порошки алюминия разных модификаций, полученные методом электрического взрыва проволочек в атмосфере разных газов - в аргоне (Alex), в азоте (Alex1), в смеси 30 % азота и 70 % аргона (Alex2) и в смеси 75 % азота и 25 % аргона (Alex3). Часть экспериментов проводилась для керосина, не содержащего порошка алюминия.
Для выбора массы впрыскиваемой порции топлива были проведены расчеты стехиометрического состава по известной методике [117] применительно к условиям проведенных экспериментов. Масса воздуха в реакторе рассчитывалась по уравнению состояния для заданных значений абсолютной температуры: где ра - атмосферное давление; V =2.54-10"3 м3 - объем реактора; - газовая постоянная для воздуха. При расчете массы порции топлива М учитывались следующие реакции. Для керосина (массовые доли углерода и водорода ZQ = 0.856, zM — 0.144): Для алюминизированного гелеобразного топлива (массовые доли углерода, водорода и алюминия zc = 0.599, zH = 0.101, zAi = 0.3): Учитывалось также, что массовая доля кислорода в воздухе z = 0.232. Результаты расчета массы топлива (при условии его полного сгорания) в зависимости от температуры воздуха в реакторе представлены на рис. 5.1. В соответствии с расчетными данными масса порции впрыскиваемого топлива выбиралась в диапазоне М— (0.1 4- 0.2) г. Порядок проведения экспериментов следующий. В разборную форсунку 4 помещается порция топлива определенной массы М. Реактор нагревается до заданной температуры и выдерживается в течение десяти минут для выравнивания температурного поля внутри трубы. С помощью насоса в гидромагистрали повышается давление до порога срабатывания пружины форсунки 4 ( 20 МПа), после чего порция топлива впрыскивается в реактор, где происходит его воспламенение и сгорание. Момент впрыска топлива ti фиксируется появлением пика давления в гидромагистрали, измеряемого датчиком давления 1 и регистрируется на первом канале осциллографа. Момент воспламенения топлива г? регистрируется с помощью фотодиода 5 на втором канале осциллографа. Время задержки воспламенения (при заданной калибровке осциллографа) определяется как tign= t2j. Типичная осциллограмма процесса воспламенения представлена на рис. 5.2. 5.2. Воспламенение гелеобразных топлив Для экспериментального исследования процесса воспламенения жидкого топлива при атмосферном давлении использовалась установка, схема которой приведена на рис. 5.3. Установка состоит из реактора в виде кварцевой трубы диаметром 90 мм и длиной 400 мм, установленной в электрическом нагревателе, системы впрыска топлива и системы измерения времени задержки воспламенения. Нагреватель обеспечивает диапазон температур в реакторе (570 - 1075) К. Температура контролируется с помощью хромель-алюмелевой термопары 3 и усилителя. Система впрыска топлива состоит из насоса, гидромагистрали, емкости с топливом, форсунки 4 и контрольного манометра. Для измерения времени задержки воспламенения используется система, включающая пьезоэлектрический датчик давления 1 типа ЛХ-601, фотодиод 5 типа ФД-256, двухлучевой цифровой запоминающий осциллограф типа С9-8. Для визуального наблюдения процесса используется кварцевое окно 2. Для импульсной подачи топлива в реактор применялась промышленная форсунка закрытого типа, оснащенная семиканальным радиальным распылителем с диаметром сопловых отверстий 0.4 мм или одноканальным коаксиальным распылителем с диаметром соплового отверстия 0.6 мм. Время инжекции составляло - 10 мс. 5.3. Результаты исследования На установке для измерения времени задержки воспламенения гелеобразных топлив были получены зависимости времени задержки воспламенения от температуры tigil(T) для рассмотренных топливных композиций [118-122]. Некоторые результаты измерений, осредненные по пяти дублирующим опытам для каждого значения температуры, представлены в табл. 5.1-5.4 и на рис. 5.4. Относительная погрешность измерения tig„ при величине доверительной вероятности 95 % составляла (2 т 18) %. Во всех проведенных экспериментах наблюдалось устойчивое воспламенение и горение топливных композиций в диапазоне температур (570 -=-975) К. В табл. 5 Л приведены значения времени задержки воспламенения топливной смеси керосин + Alex, полученные при впрыске топлива семиканальным распылителем с радиальным расположением сопловых отверстий в диапазоне температур (575 -г- 975) К. При этом воспламенение топливной смеси происходило в основном на стенках кварцевой трубы реактора.
