Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Переход горения в детонацию в твердых энергетических материалах. Промежуточные стадии, результаты и методы 14
1.1. Переход горения в детонацию и его стадии .14
1.2. Вопросы взрывобезопасности .30
1.3. Экспериментальные методы исследования 38
1.4. Теоретические подходы 46
1.4.1. Модель перехода горения в детонацию 46
1.4.2. Модель конвктивного горения смесей окислитель – горючее 55
1.5. Основные результаты главы 1 65
Глава 2. Конвективное горение индивидуальных энергетических материалов 67
2.1. Условия возникновения конвективного горения 67
2.2. Анализ уравнений модели конвективного горения методом алгебраических приближений 70
2.3. Конвективное горение в замкнутом объеме 84
2.3.1. Общие закономерности конвективного горения на примере зерненых пироксилиновых порохов 84
2.3.2. Энергетические материалы с малым размером частиц 98
2.4. Основные результаты главы 2 103
Глава 3. Конвективное горение и взрыв смесевых композиций 106
3.1. Дымный порох 106
3.2. Смеси на основе нитрата аммония .113
3.3. Смеси на основе перхлората аммония 122
3.4. Основные результаты главы 3 134
Глава 4. Стабилизированные режимы конвективного горения 136
4.1. Квазистационарное конвективное горение 136
4.2. Механизм конвективного горения с периодическими пульсациями давления 145
4.3. Другие факторы, способные ограничить рост скорости конвективного горения 152
4.4. Основные результаты главы 4 155
Глава 5. Механизмы низкоскоростной детонации в пористых энергетических материалах 157
5.1. Вязко-пластический механизм формирования горячих точек 157
5.2. Переход от конвективного горения к низкоскоростной детонации .163
5.3. Условия, разграничивающие газо-фазный и твердофазный механизмы низкоскоростной детонации 169
5.4. Влияние оболочки на динамику развития низкоскоростной детонации на примере пироксилиновых порохов 177
5.5. Основные результаты главы 5 181
Глава 6. Метательные блочные заряды конвективного горения 184
6.1. Особенности воспламенения и горения отдельных зерен, покрытых пленкой полимера 186
6.2. Особенности конвективного горения блочных зарядов 194
6.3. Факторы, контролирующие баллистические характеристики выстрела с высокоплотным зарядом конвективного горения .200
6.4. Основы теоретической модели 214
6.5. Основные результаты главы 6 224
Глава 7. Комбинированная схема выстрела с присоединенным зарядом 227
7. 1. Концепция присоединенного заряда 227
7.2. Пористые блоки из ингибированных зерен пироксилинового пороха .231
7.2.1. Опыты с метаемым телом массой 35 г .233
7.2.2. Опыты с метаемым телом массой 104 г .245
7.4. Основные результаты главы 7 249
Глава 8. Метательное устройство, работающее в режиме перехода к низкоскоростной детонации .251
8.1. Условия опытов 252
8.2. Теоретические оценки .255
8.3. Результаты опытов .256
8.3.1. Смесь тротил/гексоген 30/70 256
8.3.2. Смесь перхлорат аммония/ПММА 85/15 264
8.4. Основные результаты главы 8 268
Глава 9. Импульсное сопловое устройство, работающее в режиме конвективного горения .269
9.1. Методика измерений .269
9.2. Импульсные двигатели с временем работы не более 5 мс 273
9.3. Двигатели с временем работы до 20–25 мс, имеющие платообразную диаграмму давления 278
9.4. Основные результаты главы 9 280
Заключительные замечания .281
Основные результаты и выводы 285
Список сокращений .292
Список основных обозначений 287
Список литературы .288
- Переход горения в детонацию и его стадии
- Общие закономерности конвективного горения на примере зерненых пироксилиновых порохов
- Переход от конвективного горения к низкоскоростной детонации
- Импульсные двигатели с временем работы не более 5 мс
Переход горения в детонацию и его стадии
Основы современных представлений о конвективном горении и НСД были заложены в 60–70-ые годы в ходе исследований по развитию взрыва и переходу горения в детонацию в твердых ракетных топливах и вторичных взрывчатых веществах (ВВ) [1–8]. Опыт показывает, что лишь для немногих ЭМ, относящихся к группе инициирующих ВВ (например, для азида свинца), горение, созданное или возникшее в очаге небольшого размера, может самопроизвольно перейти во взрыв. Для большинства ЭМ, включая пороха и вторичные ВВ, навеска полностью сгорит в режиме послойного горения.
Чтобы горение перешло во взрыв, требуются определенные условия, которые обеспечили бы начало ускорения (так называемый срыв послойного горения), и поддержали бы рост давления, защищая в течение какого-то времени исходный очаг горения от действия разгрузки. C этой целью в исследованиях применяют замкнутую прочную оболочку, в цилиндрический канал оболочки помещают исследуемый заряд вместе с воспламенителем. Воспламенитель служит, чтобы поджечь заряд с одного конца. Волна горения распространяется из исходного очага вдоль образца, быстро ускоряясь, и переходит в детонацию.
Примеры фоторазверток, приведеные на рис. 1.1, относятся к двум различным типам переходного процесса [1]. Здесь по оси абсцисс – время (слева направо), по оси ординат – расстояние вдоль заряда (снизу вверх). При переходе по типу 1 детонационная структура формируется фактически на фронте пламени (иногда перед фронтом, но очень близко к нему). Этот сценарий представлен на рис. 1.1 (а). На зарядах мелкодисперсных ЭМ с размером частиц 100 мкм и менее наблюдается другой сценарий взрывного процесса, получивший название «переход горения в детонацию с образованием вторичной волны» или переход по типу 2 [1, 7, 9]. Он показан на рис. 1.1 (б). От первого механизма этот сценарий отличается тем, что на стадии конвективного горения позади фронта пламени в зоне, занятой горящими диспергированными частицами, возникает вторичная волна свечения, которая сопровождается резким повышением интенсивности горения и ростом давления. Вторичная волна догоняет фронт конвективного горения и при выходе в свежее вещество порождает детонационную волну (или волну низкоскоростной детонации). Возможные механизмы образования вторичной волны будут рассмотрены в Главе 2.
Опыт показывает, что развитие взрыва из исходного очага горения неразрывно связано с наличием газопроницаемой пористости. Такая пористость изначально присуща насыпным массам порошкообразных ЭМ. Ее основные характеристики: пористость (объемная доля пустот в ЭМ), диаметр пор и коэффициент газопроницаемости подробно рассмотрены в [1]. Большинство изделий, включая заряды, полученные прессованием и полимеризацией, также обладают пористостью. Заряды литых ВВ, например тротил/гексоген, имеют пористость 1 – 2 %, которая состоит из пор средним диаметром 15 – 20 мкм. Заряды твердых ракетных топлив имеют пористость менее 1%; поры имеют размер порядка 1 мкм. Эти поры не связаны между собой, изделия не имеют газопроницаемости. Однако газопроницаемая пористость может создаваться в ходе деформаций заряда в процессе его нагружения при горении.
Развитие взрыва в пористом ЭМ включает несколько стадий, которые последовательно сменяют друг друга [1]. Стадии различаются механизмом инициирования химического превращения и (или) способом переноса энергии и имеют разные диапазоны скоростей распространения фронта реакции. Вначале химическое превращение распространяется по заряду в форме волны послойного горения. На этой стадии ведущий механизм переноса энергии – молекулярная теплопроводность, а типичные скорости распространения фронта горения – от долей миллиметра до нескольких десятков миллиметров в секунду. Наличие пористости почти не сказывается на линейной скорости горения.
Из-за того, что отток газообразных продуктов горения ограничен стенками оболочки, давление в очаге горения быстро растет. Возникает перепад давления между очагом горения и соседними слоями ЭМ, который вызывает вынужденную фильтрацию продуктов горения по порам вглубь ЭМ. Фильтрация сопровождается конвективной передачей тепла от горячих продуктов к стенкам пор. В результате поверхность пор нагревается и при определенных условиях горение вслед за горячими газами проникает в поры.
Такие изменения означают срыв послойного горения и переход к новой стадии – конвективному горению. На этой стадии скорость распространения волны горения по заряду (ниже – скорость конвективного горения) резко увеличивается. Объяснение связано с двумя причинами. Прежде всего, как только горение проникает в поры, горячие газы, образующиеся на вновь воспламенившихся участках пор, увеличивают перепад давления между очагом горения и примыкающими к нему негорящими участками, что вызывает рост скорости фильтрации. Соответственно, возрастает интенсивность конвективной передачи тепла, что приводит к росту скорости конвективного горения.
Другая особенность конвективного горения состоит в значительном увеличении поверхности горения по сравнению с послойным горением. Действительно, если при послойном режиме горение распространяется по нормали к фронту и поверхность горения приблизительно равна площади поперечного сечения заряда, то при конвективном режиме горение распространяется как бы в двух направлениях: вдоль заряда по порам вслед за фронтом воспламенения и по нормали к поверхности воспламенившихся пор в режиме послойного горения. Если скорость конвективного горения превышает скорость нормального послойного горения в 100–1000 раз, то к тому моменту, когда первые частицы, начавшие гореть в конвективном режиме, полностью сгорят, цепочка из одновременно горящих частиц, вытянувшаяся вдоль заряда, достигнет по порядку величины 50–500 частиц.
Однако в действительности, при горении в замкнутом объеме развитие конвективного горения даже за гораздо более короткие времена приводит к формированию условий, которые обеспечивают переход к следующей стадии – низкоскоростной детонации. В англо-язычной литературе для этой стадии используется термин – compressive burning (горение, поддерживаемое сжатием). Приведем простые оценки, сопоставив характерные времена горения частиц ЭМ т и роста давления t , вызванного горением в замкнутом объеме. Время горения частицы т = d(/2Up, где d0 - диаметр частиц, Up скорость послойного горения. Время ґ можно оценить из уравнения баланса массы продуктов горения в единице объема, занятой горящими частицами с объемной долей (1 - ф) и удельной поверхностью S
Общие закономерности конвективного горения на примере зерненых пироксилиновых порохов
Пироксилиновые пороха, изготовляемые в виде зерен контролируемой формы и размеров, отличаются хорошей прочностью и не разрушаются при действии давления в сотни МПа, которое достигается в ходе конвективного горения. Опыты проводились в устройстве замкнутого типа, схема которого дана на рис. 1.14 (а) [73, 74]. Применялись пороха нескольких марок в форме одноканального цилиндра, различающиеся размером зерна и наличием флегматизатора (камфары), которая вносится в наружный слой зерна, снижая скорость горения пороха приблизительно вдвое. Изучались заряды насыпной и повышенной плотности, которая изменялась путем подпрессовки пороха, порционно засыпаемого в канал оболочки. Исходные данные порохов и некоторые сводные результаты измерений приведены в Табл. 2.2.
Здесь по столбцам даны: марка пороха; диаметр, длина и удельная наружная поверхность зерен As; гидравлический диаметр зерна do, пористость заряда; масштаб времени t , вычисляемый по формуле (2.29); реальная константа времени t0, определяющая средний темп роста давления за фронтом конвективного горения; расстояние hp от подошвы волны давления до фронта пламени; длина участка перехода горения в низкоскоростную детонацию LLVD. Диаметр зерна d0 вычислялся по формуле: do = 6/(pkAs), где pk теоретическая плотность пороха. Время to определялось по наклону кривой давление (вблизи воспламенителя) время, обработанной в полулогарифмических координатах: In Р = t/ t0 + const.
Исследуемый порох засыпался в цилиндрический канал оболочки внутренним диаметром 15 мм и длиной от 200 до 800 мм. С одного торца оболочка закрывалась заглушкой, в которой монтировался воспламенитель, состоящий из электрозапала и навески 0.5 г мелкоизмельченного дымного пороха. Противоположный торец закрывался вышибной мембраной.
Измерения включали одновременную фотографию свечения и пьезометрию. Фотографическая регистрация осуществлялась с помощью щелевой секции (плексигласовая цилиндрическая трубка, вставляемая в шлифованный канал стальной оболочки, имеющей продольную щель длиной 145 мм). Свечение за пределами щелевой секции регистрировалось через отверстия диаметром 1.2 мм, которые размещались вдоль образующей оболочки на расстоянии 20 мм друг от друга. Давление (до 1 ГПа) измерялось с помощью высокочастотных пьезокварцевых датчиков, которые в количестве до 8 штук размещались вдоль оболочки. Один из датчиков располагался вблизи воспламенителя. Процесс начинался сразу в режиме конвективного горения. Экспериментальные данные сопоставлялись с результатами моделирования.
Пример фоторазвертки свечения на стадии конвективного горения для пороха марки 15/1 из крупных зерен, заряд насыпной плотности, приведен на рис. 2.3. Типичная фоторазвертка состоит из чередующихся светлых и темных полос. Светлые полосы есть треки горящих зерен пороха. Точки начала свечения треков мы соединяем условно сплошной линией. Она показана на схеме рис. 2.3 (б) и представляет траекторию фронта горения.
Дифференцируя траекторию фронта пламени по времени, находим скорость конвективного горения. Треки горящих зерен имеют наклон, который монотонно возрастает по мере распространения фронта волны. По наклону можно определить скорость течения твердой фазы вблизи фронта пламени (скорость частиц Ukf). Пример фоторазвертки процесса, охватывающей участок перехода от конвективного горения к НСД, вместе с регистрацией давления в нескольких точках по длине заряда и их обработка для пороха марки ВТ насыпной плотности даны на рис. 2.4 и 2.5.
Волна горения в своем развитии проходит три фазы: сравнительно короткий участок, на котором скорость фронта возрастает до уровня нескольких сотен м/сек; участок, на котором скорость пламени приблизительно постоянна или слабо возрастает, составляя 400–550 м/сек; и участок, относящийся к НСД, переход к которой сопровождается скачкообразным увеличением скорости фронта до уровня 900–1400 м/с.
Диаграммы давление–время, регистрируемые с помощью пьезокварцевых датчиков, различаются по форме и амплитуде сигнала в зависимости от места расположения датчика вдоль заряда. Обработка сигнала датчика (D1), который размещается у закрытого торца заряда вблизи воспламенителя, с использованием полулогарифмических координат позволяет выделить характерные участки, имеющие разный наклон. Пример для пороха марки ВТ насыпной плотности дан на рис. 2.6. На начальном участке диаграммы давление быстро растет в ходе сгорания воспламенителя. Участки (1) и (2) относятся к фазе конвективного горения, с темпом роста давления, которому отвечают времена t0 = 115 и 200 мкс, соответственно. Причиной ослабления темпа роста давления на участке (2), скорее всего, является снижение концентрации горящих зерен пороха вблизи торца заряда из-за общего движения к-фазы в направлении распространения фронта волны, вызванного эффектом уплотнения.
Характерное время t0, измеряемое на участке (1), удобно использовать в качестве меры, определяющей темп роста давления в зоне горения на стадии конвективного горения. Его значения для изученных порохов даны в табл. 2.2. Там же для сравнения приведено время t , рассчитанное по формуле (2.29). Видно, что отношение этих времен, t0/ t = 1 – 1.7. 0 100 200 300 400 500 600 700 Время, мкс
Порох марки ВТ насыпной плотности По диаграммам давление-время, полученным в нескольких точках по длине заряда, строились пространственные распределения давления в разные моменты времени. Соответствующий пример дан на рис. 2.5 (б). Положение фронта пламени определено синхронизацией с фоторегистрограммой. Отмечена также точка, где происходит переход в НСД. Видно, что на стадии конвективного горения профиль давления имеет вид ступеньки, а фронт пламени располагается приблизительно посредине фронта волны давления (участка, на который приходится основное изменение давления, начиная от подошвы волны). С течением времени давление в зоне горения, давление на фронте пламени и градиент давления перед фронтом пламени растут, однако характерный размер (величина hp, отсчитываемая от подошвы волны давления до фронта пламени, то есть, размер зоны фильтрации) почти не изменяется. Средние значения hp, полученные на стадии конвективного горения, приведены в табл. 2.2. По мере приближения фронта пламени к точке перехода в НСД профиль давления трансформируется: на переднем фронте возникает горб, амплитуда которого быстро возрастает, значительно превышая давление в остальной части зоны горения. В момент перехода давление в зоне горения вблизи воспламенителя составляет 100 МПа, а в пике 200 МПа.
Рассмотрим наблюдаемые закономерности. Зависимость скорости пламени и скорости зерен пороха на фронте волны от расстояния, пройденного пламенем вдоль заряда, для порохов ВУ и 6/1 насыпной плотности, приведена на рис. 2.7 (а). Видно, что обе скорости растут по мере продвижения фронта пламени: для скорости W наблюдаются кривые с насыщением, которые выходят на уровень 430–500 м/с, тогда как Ukf монотонно растет вплоть до 200 м/с в точке перехода к НСД. Для пороха 6/1 скорости растут гораздо медленнее, чем для пороха ВУ, вследствие более крупного зерна. Однако если в качестве независимой переменной взять давление вблизи торца заряда, то, как видно на рис. 2.7 (б), экспериментальные точки для порохов ВУ, ВТ и 6/1 фактически накладываются друг на друга.
Эти наблюдения иллюстрируют общую тенденцию, согласно которой при увеличении размера зерна в диапазоне 0.6–1.8 мм (пороха марок ВУ, ВТ и 6/1) развитие конвективного горения замедляется пропорционально характерному времени t0, которое определяет темп роста давления в зоне горения. Вслед за t0, при увеличении размера зерна пропорционально растут размер зоны фильтрации hp и длина участка перехода в НСД LLVD.
Переход от конвективного горения к низкоскоростной детонации
Условия, при которых конвективное горение пироксилиновых порохов завершается, переходя в НСД, были рассмотрены в разделе 2.3. Для зарядов насыпной плотности из порохов от ВУ до 6/1 (эффективный диаметр зерен от 0.5 до 1.8 мм) переход к НСД можно определить на фоторазвертках по скачкообразному росту скорости фронта. Значения массовой скорости в момент перехода, определяемые по наклону треков горящих частиц вблизи фронта волны, составляют 200 м/с независимо от диаметра зерна. Максимальное давление в волне и давление у воспламеняемого торца заряда при тех же условиях равны 200–250 МПа и 100 МПа, соответственно. Реконструируя картину течения, можно заключить, что воспламенившиеся зерна пороха могут разгоняться до указанной скорости лишь благодаря тому, что перед фронтом волны формируется волна уплотнения, процессы в которой и определяют переход к НСД.
Порох крупной марки (исследовался порох марки 15/1 с диаметром зерна 3.35 мм) ведет себя иначе. Еще на стадии конвективного горения (на длине 300 мм для пороха 15/1 насыпной плотности) фронт пламени обгоняет пластическую волну и выходит в неуплотненное вещество. Дальнейший рост скорости волны до 800–1200 м/с происходит плавно, без скачков. Зерна пороха при воспламенении во фронте волны неподвижны. Налицо типичная структура волны НСД, отвечающая газофазноу механизму.
Впервые газофазный механизм НСД был получен на порошкообразном тэне в опытах по искровому инициированию на зарядах малого диаметра, заключенных в пластиковые трубки [10]. Длина зарядов была небольшой из-за опасности перехода в нормальную детонацию. Дальнейшие исследования [114, 115] были направлены на выяснение механизмов этого процесса и анализ воспроизводимости при других методах инициирования (например, с помощью газовой детонации). Однако лишь после того, как было показано, что НСД с газофазным механизмом может быть реализована в ходе естественного развития горения в пироксилиновом порохе, стало ясно, что речь идет об одном из универсальных режимов распространения химического превращения [116].
Анализ фоторазверток, полученных на порохах ВТ (d0 = 0.8 мм) и 6/1 (d0 = 1.6 мм) после перехода к НСД, позволил обнаружить следующую особенность, которую иллюстрирует рис. 5.2. Оказалось, что спустя 15–20 мкc после возникновения НСД свечение на фронте волны и в примыкающей к фронту зоне горения резко усиливается. Из-за яркого свечения в этой зоне треки горящих зерен почти сливаются. Тем не менее, можно заметить, что свечение, отождествляемое с началом горения зерен, возникает, когда зерна неподвижны. Опираясь на эти наблюдения, был сделан вывод о том, что твердофазный механизм НСД в заряде пороха марки 6/1 насыпной плотности неустойчив и происходит его замена на газофазный механизм по мере распространения волны [116, 117].
Подтверждением этого вывода служат результаты измерений, полученные на том же порохе 6/1 насыпной плотности [44, 116], которые приведены на рис. 5.3. Сборка, включающая пьезокварцевый датчик давления, электромагнитный датчик и фотодиод, была установлена на длине 240 мм, на участке, где НСД распространяется со скоростью 1200 м/с.
Видно, что первым появляется сигнал на фотодиоде, рост давления и массовой скорости стартуют одновременно с задержкой 12–15 мкс. Участок роста массовой скорости и давления до максимальных значений (0.41 км/с и 0.46 ГПа) занимает еще 10–12 мкс. На рисунке экспериментальные данные сопоставлены с результатами математического моделирования. Можно видеть хорошее согласие расчета с экспериментом по картине течения, амплитудам и временам нарастания сигналов. Аналогичная картина наблюдается при переходе горения в НСД на порохе марки ВТ, имеющим зерна меньших размеров.
Более подробно особенности структуры фронта волны НСД при газофазном механизме были рассмотрены по результатам математического моделирования. Расчеты проводились для одноканального пороха марки ВТ насыпной плотности (начальная пористость 0.42) [13, 15] в рамках модели перехода горения в детонацию, приведенной в разделе 1.4.1.
При моделировании, точно так же, как в эксперименте, переход от конвективного горения к режиму НСД осуществляется за счет твердофазного механизма (вязко-пластический разогрев в зоне уплотнения перед фронтом волны конвективного горения). Структура фронта волны НСД, отвечающая ситуации сразу после перехода, изображена на рис. 5.4 (а). Видно, что фронт пламени уже перешел на переднюю, спадающую ветвь пористости, но находится пока еще близко к точке минимума (0.04 – точка наибольшей степени уплотнения). Скорость движения зерен пороха во фронте пламени равна 260 м/с. В качестве характеристики, позволяющей оценить светимость пламени, взято произведение пористости на температуру газа в 4-ой степени. Величина произведения обезразмерена таким образом, чтобы обычное значение для фронта волны конвективного горения была порядка 1. Можно видеть, что в этом масштабе на фронте НСД светимость близка к нулю из-за низкой величины пористости. Ощутимый рост начинается на расстоянии нескольких мм позади фронта вместе с ростом пористости и температуры газа. Максимум светимости находится далеко в глубине зоны горения.
Однако эта структура волны, также как и в экспериментах, сохраняется лишь ограниченное время. Через 15–20 мкс фронт волны получает новую структуру, которая сохраняется в ходе дальнейшего распространения и ускорения волны. Новая структура отвечает газофазному механизму и показана на рис. 5.4 (б). Фронт пламени смещается за пределы волны уплотнения, туда, где пористость почти не отличается от начальной пористости заряда, а скорость движения зерен пороха составляет всего 10 м/с.
Движение в волне начинается резким ростом скорости газа и светимости за 5 мм до фронта воспламенения. Светимость на порядок превышает максимальную величину, полученную при твердофазном механизме. Причиной является газовый поток высокой скорости, формирование которого сопровождается сильным разогревом за счет межфазного трения.
На первый взгляд, НСД, контролируемая газофазным механизмом, почти не отличается от конвективного горения. Но это не так. К примеру, НСД в порохе 15/1 при скорости волны 800 м/с передается через инертную пластину, перегораживающую канал оболочки, заполненный порохом. Фоторазвертки, полученные в [74, 118], показывают, что после выхода фронта волны на пластину свечение за пластиной сначала отсутствует вовсе и возобновляется спустя 85 мкс. Причем, если до пластины треки горящих зерен имели на фронте нулевую скорость, то позади пластины свечение во фронте начинается, когда треки воспламенившихся зерен движутся со скоростью 250 м/с. По-видимому, такую же скорость имеет движущаяся пластина. Однако, пройдя по заряду 10–20 мм, фронт волны восстанавливает свою исходную структуру, отвечающую газофазному механизму, и воспламенившиеся зерна пороха на фронте вновь приобретают нулевую скорость.
Причина наблюдаемых изменений связана с тем, что доминирующей становится та фаза, которая при данных условиях и нагрузке обеспечивает более высокую скорость передачи энергии. Для пироксилиновых порохов насыпной плотности газовая фаза и к-фаза имеют близкие скорости передачи энергии. Для порохов с мелким зерном на стадии конвективного горения передача энергии по твердой фазе за счет пластической волны сжатия имеет более высокую скорость, переход к НСД осуществляется по твердофазному механизму. При увеличении размера зерна (до пороха 15/1) или инициировании вдувом горячих газов скорость передачи энергии по газовой фазе возрастает. Этого может оказаться достаточно, чтобы доминирующая роль перешла к газофазному механизму.
Импульсные двигатели с временем работы не более 5 мс
Опыты проводились со смесевым порохом А. Типичные диаграммы давление–время, полученные в двух точках (в полости перед соплом и вблизи закрытого торца заряда), даны на рис. 9.2. Заряд имел диаметр 25 мм и длину 160 мм и был изготовлен из частиц пороха размером 1.9 мм. Плотность заряжания равнялась 1.22 г/см3. Канал камеры имел диаметр 25.5 мм и длину 208 мм; характеристики сопла: S0/Scr = 2.5, Se/Scr = 5, угол расширения сопла 20о. Эти условия опытов примем для удобства в качестве базовых, с тем, чтобы ниже при описании результатов других опытов указывать лишь те параметры, которые варьировались.
Как видно из рис. 9.2, подъем давления у закрытого торца заряда начинается с задержкой 1 мс относительно начала процесса. В течение этого времени порох воспламеняется, и горение распространяется на всю длину заряда. Диаграмма давления в полости перед соплом отличается от диаграммы давления вблизи торца заряда более пологим участком нарастания давления и чуть более низкой величиной давления в максимуме.
Разрыв диафрагмы проявляется в виде нескольких коротких пульсаций на участке подъема давления. По диаграмме давления в полости перед соплом определялись две характеристики работы двигателя: время работы т (время между условными точками 5%-ной амплитуды, взятыми на участках нарастания и спада давления) и средне-интегральное давление: Pm = (\Pdt)lr.
Для анализа работы двигателя представляет интерес также максимальное давление Ртах, действующее на стенки двигателя (это давление определялось по показанию датчика, размещенного вблизи дна камеры).
Указанные характеристики вместе с условиями опытов и результатами измерений удельного импульса тяги приведены в табл. 9.1. Можно видеть, что из-за импульсного характера диаграмм давления, среднее давление в камере оказалось примерно в 2.5-3 раза меньше максимального давления.
Как среднее, так и максимальное давления снижаются при уменьшении длины заряда, увеличении диаметра сопла, увеличении размера зерен пороха и нанесении ингибирующего покрытия.
Время работы т зависит от ряда факторов. Можно отметить корреляцию времени т с величиной, равной отношению объема камеры к площади критического сечения сопла V /Scr. Это связано с тем, что большая часть диаграммы давления в полости камеры приходится на стадию истечения газов из двигателя, а как известно, характерное время истечения прямо пропорционально величине V(/Scr. Кроме того, нанесение ингибитора и увеличение размера зерен пороха приводят к увеличению т за счет снижения скорости конвективного горения и давления в камере.
Сводные данные, демонстрирующие влияние условий опыта на удельный импульс тяги, приведены на рис. 9.3. В качестве независимой переменной выбрано среднее давление Pav
Видно, что результаты опытов, полученные при разных значениях критического сечения сопла, длины и диаметра заряда, и размера зерна смесевого пороха «А» группируются вдоль кривых в соответствии с плотностью заряжания. По мере роста давления при постоянной плотности заряжания удельный импульс растет, однако при больших давлениях, достигнув величины удельного импульса на уровне 205–220 сек, зависимость насыщается. Чем выше плотность заряжания, тем при более высоких давлениях происходит насыщение зависимости. Таким образом, если в качестве приемлемой нижней границы удельного импульса принять значение 200 сек, то, как показывает анализ, для достижения этого уровня при плотности заряжания 0.7, 0.9, 1.1 и 1.22 г/см3 среднее давление в камере должно быть не ниже 160, 200, 280 и 310 МПа, соответственно.
Сильная зависимость удельного импульса от давления в камере определяется двумя причинами. Во-первых, согласно термодинамическим расчетам (они проводились в предположении, что давление в камере постоянно и давление на срезе сопла равно атмосферному давлению) [155], величина удельного импульса заметно растет при увеличении давления в камере главным образом за счет увеличения степени расширения продуктов горения в сопле. Для пороха «А» рассчитанный прирост удельного импульса при увеличении давления от 4 до 300 МПа составляет 60 сек. (от 215 до 275 сек.). Во-вторых, при увеличении давления в камере снижается время горения частиц пороха и, как следствие, повышается полнота сгорания.
В целом, на участке насыщения кривых удельный импульс–среднее давление в камере, экспериментальные значения удельного импульса остаются заметно ниже идеальных расчетных значений. Основной вклад в потери импульса, помимо неполноты сгорания, дают потери из-за неполного расширения продуктов горения в сопле. В результате давление на срезе сопла оказывается выше атмосферного давления. Влияние параметров соплового блока на удельный импульс тяги иллюстрируется результатами опытов, которые приведены в Табл. 9.2. Видно, что при увеличении степени расширения сопла и уменьшении угла расширения удельный импульс тяги растет (суммарные потери импульса снижаются, соответственно, до 15%). Таким образом, оптимальные условия по параметрам соплового блока очевидно не достигнуты, и при их оптимизации можно получить более высокий удельный импульс.
Опыты, которые проводились с зарядами 15, 25 и 40 мм из пороха с зернами размером 0.9 мм при S /Scr = 2.25 (длина заряда, плотность заряжания и остальные характеристики сопла как в базовом варианте), не обнаружили влияния диаметра заряда на баллистические характеристики сопловой установки. Несмотря на импульсный характер процесса в камере, баллистические характеристики хорошо повторяются от опыта к опыту. Так, в серии из 10 параллельных опытов с зарядами из зерен пороха «А» размером 0.9 мм в одних и тех же условиях отклонения от средних измеренных значений составили: по удельному импульсу + 2 %, по максимальному давлению на дно камеры + 10%, по времени работы + 8%.