Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Характеристики конденсированных продуктов горения и методы их ,исследования (обюр литературы) 10
1.1. Требования к методикамotн'еделения характеристик КПГ 10
1.2. Метод отбора 12
1.3. Отпор частиц на пластины. инерционные проьюотьорники. развитие, проблемы, результаты 13
1.4. Лабораторные методики отбора частиц избранного диапазона размкров 24
1.3. Методики с использованием враідаюшегося баракана с гасящей жидкостью 29
1.4. Методики, предназначенные для отбора нсьй массы КПГ 35
1.5. Заключение 46
ГЛАВА 2. Методика ихкнг для исследования характеристик конденсированных продуктов горения 48
2.1. Установка и проведение'экспериментом 48
2.2. Препарирование, гранулометрический и химический анализ частиц кпг. определение плотности частиц 51
2.3. Обработка и представление результатов гранулометрического и химического анализов, используемые интегральный параметры 52
2.4. Расчет времени пребывания частиц в продуктах горения топливного образца 55
2.5. Погрешности 57
2.5. 1. Функция распределения и средние размеры частиц 57
2.5.2. Определение содержания несгоревшего алюминия 59
2.5.3. Интегральные массовые параметры (т^р, nv, т^, т «р, т f, т щ). Тест воспроизводимости.. 59
2.5.4. Плотность частий КПГ 62
2.5.5. Скорость горения топлива 63
2.5.6. Время пребывания tm 63
2.5.7. Представительность отборов 64
ГЛАВА 3. Экспериментальные данные о влиянии рецептурных факторов на агломерацию и полноту сгорания алюминия в составе твердого топлива. 68
3.1. Общин представления о влиянии pf.i іептурньіхфакторов и задачи данного исследования 68
3.2. Изготовление модельных топлив и окразцоп 70
3.3. Влияние связующего 72
3.3.1. Топлива: рецептуры, компоненты, образцы 72
3.3.2. Результаты 73
3.4. Влияние природы нитраминов на агломерацию и полноту сгорания алюминия 83
3.4.1. Постановка задачи. Топлива, компоненты, образцы 83
3.4.2. Проведение экспериментов 86
3.4.3. Общая характеристика КПГ и размеры агломератов 87
3.4.4. Выгорание металла и эволюция агломератов. Объяснение наблюдаемых закономерностей 98
3.4.5. Накопление оксида на поверхности агломерата 101
3.4.6. Заключение по разделу 111
3.5. Влиянии модификации свойств м[-тллличнского горючііго. иснолі.зоваии1-: алюминия с полимерными покрытиями 1 13
3.5.1. Задача исследования. Рецептура и компоненты топлиа 113
3.5.2. Проведение экспериментов 118
3.5.3. Результаты экспериментов при р = 4.6 МПа 120
3.5.4. Результаты экспериментов прир = 0.15 МПа 120
3.5.5. Обсуждение результатов 136
3.5.6. Заключение по разделу 138
3.6. Влияний модификации свойств 140
3.6.1. Задана исследования. Рецептуры и компоненты модельных топлиа 140
3.6.2. Образцы топлш, проведение и результаты экспериментов N5
3.6.3. Заключение по разделу 163
ГЛАВА 4. Обобщение экспериментальных данных: сценарии агломерации 164
Заключение 178
Литература 184
Приложения 198
- Отпор частиц на пластины. инерционные проьюотьорники. развитие, проблемы, результаты
- Обработка и представление результатов гранулометрического и химического анализов, используемые интегральный параметры
- Скорость горения топлива
- Изготовление модельных топлив и окразцоп
Введение к работе
Развитие ракетной техники во многом обеспечивается
совершенствованием топливных рецептур. Предназначение ракетного топлива состоит в выделении требуемого количества энергии с заданной скоростью при вполне определенных условиях [I]. Топливо также служит источником рабочего тела, отбрасывая которое (например, в виде струи горячих газов, истекающих через сопло), двигатель создает реактивную тягу. Одно из основных направлений совершенствования ракетных топлив - повышение удельного импульса (т. е, импульса двигателя, отнесенного к весу отброшенного рабочего тела [2, с. 24]). Было предложено множество эффективных горючих и окислителей, однако особое место занимают твердые металлсодержащие (так называемые «металлизированные») топлива [3], поскольку к топливам предъявляют множество противоречивых технических требований, что вынуждает разработчиков принимать компромиссные решения. Например, для стратегических ракет высокая боеготовность, простота обслуживания на стартовой позиции, компактность, безопасность при транспортировке и хранении зачастую более важны, чем удельный импульс, что приводит к выбору именно твердого металлизированного топлива [1].
Идея использования металла в качестве горючего компонента ракетного топлива впервые предложена советскими учеными Ю. В. Кондратюком [4] (1929 г.) и Ф. А. Цандером [5] (1932 г.), Предпосылкой к этому служит весьма высокая (более 2 ккал/г) теплота сгорания таких элементов как бериллий, литий, магний, алюминий, бор [3, 6, 7]. Из перечисленных элементов в традиционных смесевых ракетных топливах наиболее широкое распространение получил алюминий вследствие ряда причин [3]. Применение бериллия ограничено из-за токсичности продуктов горения. Литий в чистом виде обладает чрезмерно высокой химической активностью. Магний уступает алюминию по теплотворной способности. Для окисления бора требуется
большое количество кислорода и его применение оправдано при использовании внешнего (забортного) окислителя.
Типичные современные смесевые гетерогенные топлива состоят из окислителя — перхлората аммония (ПХА) в количестве 45-70 % (масс), полимерного горючего-связующего (10-20 %) и алюминия (15-24 %). Наличие алюминия повышает температуру пламени и скорость истечения продуктов горения, создающих реактивную силу, улучшает стабильность работы двигателя посредством демпфирования колебаний газа в камере сгорания, дает некоторые возможности для регулирования скорости горения топлива и ее зависимости от давления путем вариации рецептуры топлива на этапе его проектирования. В то же время, применение алюминия порождает ряд проблем, обусловленных особенностями его поведения в волне горения, в камере сгорания, сопле и в выхлопной струе двигателя.
Прежде всего, для горения алюминизированного топлива характерно явление агломерации [7]. Применительно к ракетным топливам агломерацией называют объединение (в предельном случае - слияние) заложенных в топливо частиц алюминия в волне горения. В результате с поверхности горения в газовую фазу выходят агломераты, образованные из сотен, а иногда и тысяч исходных частиц алюминия. Помимо размера, агломераты отличаются от начальных частиц алюминия по структуре, важным параметром которой является массовое соотношение металлического (непрореагировавшего) алюминия и его оксида. Вследствие различий в размере и структуре закономерности горения агломератов (в частности, время горения) отличны от соответствующих закономерностей для алюминиевых частиц.
Другая важная особенность горения алюминизированного топлива -образование конденсированных продуктов. Поток продуктов горения топлива существенно двухфазный — газообразные продукты горения транспортируют агломераты и частицы оксида алюминия, образованного при горении алюминия. Превращение алюминия в оксид — один из основных процессов,
обуславливающих эволюцию дисперсной фазы. В общем случае, кроме горения следует рассматривать движение и взаимодействие частиц. Параметры агломератов, покидающих поверхность горения, имеют первостепенное значение, поскольку задают начальные условия для эволюции дисперсной фазы. Двухфазность продуктов горения алюминизированного топлива обусловливает наличие ряда особенностей функционирования двигателя [8, 9]:
потери удельного импульса,
эрозионное воздействие на элементы конструкции,
неполнота сгорания металла,
чувствительность параметров работы двигателя к массовым силам,
образование шлаков в камере двигателя,
демпфирование колебаний газа в камере двигателя,
формирование выхлопной струи двигателя.
Последнее не связано непосредственно с характеристиками работы двигателя, но также немаловажно. Для военных ракет параметры выхлопной струи обычно рассматривают с точки зрения возможности обнаружения старта ракеты с большого расстояния. В случае гражданского применения твердотопливных ракет, а также в случае уничтожения ракет посредством сжигания, параметры выхлопной струи рассматривают с точки зрения воздействия продуктов горения на окружающую среду.
Таким образом, изучение процесса горения металлизированного топлива и механизмов образования и эволюции дисперсной фазы имеет важное практическое значение как для совершенствования ракетных двигателей в плане улучшения их технических характеристик, так и для объективной оценки экологических последствий запусков ракет.
Цели диссертационной работы заключались в следующем: 1) Разработка методики отборов для исследования параметров дисперсной фазы, образующейся при горении металлизированного топлива. При этом ставились задачи достижения максимально возможной представительности отборов для
частиц с размерами от 1 до 1000 мкм и определения гранулометрического и химического состава частиц дисперсной фазы в зависимости от расстояния от поверхности горения; 2) Экспериментальное определение агломерационных свойств и эффективности горения алюминия для ряда топлив, в том числе представляющих практический интерес. При этом ставились задачи (а) детального исследования указанных параметров дисперсной фазы в зависимости от давления и состава топлив, характеризуемого массовыми долями и гранулометрическими характеристиками компонентов, и (б) накопления и обобщения экспериментальных данных для построения физически обоснованных механизмов явления агломерации.
Все экспериментальные исследования проведены лично соискателем с использованием методики отборов частиц дисперсной фазы, разработанной в лаборатории горения конденсированных систем Института химической кинетики и горения СО РАН при непосредственном участии соискателя.
Соискатель выносит на защиту: I) Методику исследования характеристик дисперсной фазы, включающую установку, процедуры гранулометрического и химического анализа частиц, программное обеспечение для обработки результатов; 2) Экспериментальные результаты исследования параметров агломерации, в том числе полноты сгорания алюминия, в зависимости от следующих вариаций состава топлива - типа связующего, наличия нитраминов (октогена и гексогена), гранулометрического состава и модификации физико-химических свойств алюминия (посредством использования ультрадисперсного алюминия и алюминия с полимерными покрытиями). Большинство экспериментов проведено при давлениях 4-7 МПа в среде азота.
Структура диссертации. Работа состоит из четырех глав и Заключения. В первой главе дан обзор методик исследования характеристик дисперсной фазы горящего топлива. Основное внимание уделено методикам
отборов конденсированных продуктов горения (КПГ) и анализу ограничений этих методик. Сформулированы требования к "идеальной" методике.
Во второй главе описана авторская методика отборов, показано ее соответствие предъявляемым требованиям, дающее преимущества по отношению к другим методикам. Введен набор параметров, характеризующих параметры КПГ, в том числе агломераты.
В третьей главе представлены экспериментальные результаты по исследованию влияния рецептурных факторов (т. е. компонентного и гранулометрического состава) на агломерационные характеристики ряда топлив. По мере возможности проведено сравнение с литературными данными.
В четвертой главе проведено обобщение собственных экспериментальных данных по агломерации алюминия при горении топлив различного состава. Показано, что, несмотря на разнообразие рецептур, имеются два основных качественно различных режима протекания процесса агломерации, описываемых сценариями сильной и слабой агломерации. Отличия сценариев проявляются в численных значениях параметров, характеризующих КПГ. Изменение условий горения (например, давления) или модификация свойств отдельных компонентов топлива могут изменить сценарий протекания процесса агломерации.
В Заключении сформулированы выводы по работе в целом, подведены итоги и намечены пути дальнейших исследований в данном направлении. Кроме того, представлены сведения об апробации и внедрении результатов работы.
Благодарности
Соискатель выражает признательность научному руководителю, заведующему лабораторией горения конденсированных систем (ГКС), профессору В. Е. Зарко; благодарит сотрудников лаборатории ГКС В. В. Карасева, А. Б. Кискина, Л. К Гусаченко, С. Э. Пащенко за постоянный интерес
к работе, обсуждение результатов и помощь в обработке данных, а также В, Н. Симоненко за изготовление некоторых из исследованных модельных топлив. Особую благодарность соискатель выражает сотрудницам кафедры аналитической химии факультета естественных наук Новосибирского госуниверситета Т. Д. Федотовой и А. Г. Кирьяновой за вклад в развитие методик химического анализа КПГ и собственно проведение анализов, сотруднице лаб. ГКС О. Н. Житницкой и сотруднику Международного томографического центра В. Л. Бизяеву за проведение фанулометрических анализов. Соискатель с благодарностью отмечает важную роль бывшего сотрудника лаб. ГКС В. Я. Зырянова, заложившего основы методики отборов.
Соискатель выражает благодарность студентам ТГУ, НГТУ и сотрудникам других Институтов СО РАН В. И. Исаеву, А. Сапрыкину, В. Сапрыгину, Н. Лукзену и Н. Г. Наумову, в разное время принимавших участие в проведения фанулометрических и химических анализов КПГ, а также А. Б. Ворожцову, В. Суркову, Г. В. Иванову, А. Е. Салько, В. С. Седому, Ю. А. Бирюкову за предоставление ультрадисперсных порошков алюминия.
В работе использованы результаты исследований, выполненных при частичной финансовой поддержке следующих российских фондов и организаций - РФФИ, Федеральный научно-производственный центр "Алтай", Программа сотрудничества Министерства образования Российской Федерации и Министерства обороны Российской Федерации «Научно-инновационное сотрудничество», а также зарубежных - МНТЦ, Brigham Young University, EOARD и INTAS. Соискатель выражает глубокую благодарность перечисленным организациям, фондам и профаммам.
Отпор частиц на пластины. инерционные проьюотьорники. развитие, проблемы, результаты
Простейший способ отбора КПГ заключается в улавливании образующихся частиц в широкий невысокий сосуд, например, в керамическую чашку. Такой способ применяли в ранних работах по исследованию горения металлических частиц в факеле твердого топлива и в пламени газовой горелки. Соответственно, сосуд располагали либо на дне бомбы, в которой производили сжигание топливного образца, либо под горелкой, факел которой в таких экспериментах обычно направлен вниз [18, стр. 36]. В [18] указано, что наименьший размер отбираемых частиц составляет около 15 мкм (размер сжигаемых частиц алюминия 30-150 мкм). Очевидными недостатками метода является неопределенность времени горения частиц (до погасания), пространственная неоднородность условий горения и их непостоянство во времени, а в случае топлива добавляется еще и неполнота сбора частиц. Дальнейшее развитие подобных методов - принудительное гашение частиц посредством соударения с "отборной" пластиной. Как в случае горения твердого топлива, так и в случае газовой горелки, проводя отбор продуктов горения в различных зонах пламжидкостью (полипропиленгликолем) [21], алюминием и монооксидом кремния [18, с. 38] и другие. Применение метода отбора частиц на пластины сталкивается с известными трудностями и проблемами, а именно: Зависимость эффективности удержания частиц на пластине от их размера. Повреждение крупных частиц (более 150 мкм) при ударе об отборную пластину. Искажения гидродинамической картины течения, вызванные наличием пластины. Получение оптимального количества осадка. Последнее обусловлено как требованиями к пробе для микроскопического анализа (желательно, чтобы отобранные частицы не перекрывались), так и возможным ухудшением эффективности осаждения при наличии осадка, или даже срывом (сдуванием) частиц с пластины при их чрезмерном количестве. Для решения этой проблемы предложены различные способы, суть которых состоит в ограничении времени "экспонирования" пластины в пламени горелки или в потоке двухфазных продуктов горения топлива.
Примеры таких технические решений: система с проносом пластины через пламя [18, стр. 38]; система с автоматическим вводом пластины в пламя образца топлива в требуемый момент времени по команде, формируемой при перегорании проволочки, помещенной в образец [22], рис. 1.1; система, подобная шторному затвору фотоаппарата, когда отборная пластина неподвижнаени, можно получить представление об эволюции горящих частиц [19]. В литературе имеется ряд работ, в которых описаны различные варианты практической реализации метода [22-23], отличающиеся, в частности, материалом пластин. Используются предметные стекла для микроскопа, пирекс [20], пластины с различными покрытиями: вязкой жидкостью (полипропиленгликолем) [21], алюминием и монооксидом кремния [18, с. 38] и другие. Применение метода отбора частиц на пластины сталкивается с известными трудностями и проблемами, а именно: Зависимость эффективности удержания частиц на пластине от их размера. Повреждение крупных частиц (более 150 мкм) при ударе об отборную пластину. Искажения гидродинамической картины течения, вызванные наличием пластины. Получение оптимального количества осадка. Последнее обусловлено как требованиями к пробе для микроскопического анализа (желательно, чтобы отобранные частицы не перекрывались), так и возможным ухудшением эффективности осаждения при наличии осадка, или даже срывом (сдуванием) частиц с пластины при их чрезмерном количестве. Для решения этой проблемы предложены различные способы, суть которых состоит в ограничении времени "экспонирования" пластины в пламени горелки или в потоке двухфазных продуктов горения топлива. Примеры таких технические решений: система с проносом пластины через пламя [18, стр. 38]; система с автоматическим вводом пластины в пламя образца топлива в требуемый момент времени по команде, формируемой при перегорании проволочки, помещенной в образец [22], рис. 1.1; система, подобная шторному затвору фотоаппарата, когда отборная пластина неподвижна, а вдоль нее приносится пластина со щелью [20], рис.1.2. Рис. 1.1. Реализация метода отбора частиц на пластину [22]. Срабатывание электромагнита 4 и ввод пластины 1 в пламя на заданной высоте от поверхности горения происходит при перегорании проволочки 2 в результате ее попадания в высокотемпературную зону волны горения топливного образца 5. Система отбора частиц на пластину [20], подобная шторному щелевому затвору фотоаппарата: параллельно неподвижной отборной пластине проносится пластина со щелью. Для иллюстрации приведем некоторые технические данные системы отбора из работы [20]: Образец топлива 12.7 12.7х 9.5 мм, не бронированный. Расстояние от поверхности горения до отборной пластины от 5.4 мм до 12.5 мм. Максимальное давление в бомбе до 3.5 МПа. Типичное время экспозиции пластины 0.05 с.
Обработка и представление результатов гранулометрического и химического анализов, используемые интегральный параметры
Совокупную функцию распределения в диапазоне размеров от 0.5 мкм до максимального строили с помощью компьютерной программы, входными данными для которой служат: (1) гистограммы отдельных фракций, массы фракций, (2) содержание алюминия во фракциях, и (3) средняя плотность частиц во фракциях. Алгоритм программы построен с учетом частичного перекрывания гистограмм отдельных фракций. Имеется возможность вычислять интегральные характеристики функций распределения в заданном диапазоне размеров частиц. Результаты гранулометрического и химического анализа частиц представляли графически в виде гистограммы f(D) плотности распределения относительной массы частиц КПГ по размерам и условной гистограммы плотности распределения относительной массы алюминия в частицах КПГ по размерам (D), которые определяли следующим образом: rrij - масса частиц в і-том гистограмм ном интервале, Мргор — масса образца топлива (суммарная величина для серии образцов, сжигаемых в одинаковых условиях), ЛЦ - ширина і-го гистограммного интервала, jA1 - массовая доля алюминия в той фракции j, в которую попадает і-й размерный интервал. В дальнейшем индекс і - номер интервала гистограммы -в обозначениях f(D) и f Ai(D) будем опускать. В таком представлении площадь под кривой распределения пропорциональна массе, так что графики содержат информацию не только о распределении массы по размерам, но и характеризуют абсолютную способность единицы массы топлива образовывать частицы того или иного размера. Это позволяет сравнивать результаты, полученные для топлив с различным содержанием алюминия. Количественно функции распределения КПГ по размерам характеризовали набором средних размеров D)0, D2o, D21, D30, D32, D43, D53, вычисляемых по формуле: где m, n - целые числа, задающие порядок среднего размера, к -число размерных интервалов в совокупной гистограмме, iVj - число частиц в і-м интервале, D - середина і-го интервала. Для расчетов по (2.1) массовую гистограмму пересчитывали в счетную по формуле: JV, =—— -—, где Nj - условное число частиц в і -м размерном 6 ,Ир интервале, рр - плотность частиц. Используя массовые распределения КПГ и алюминия в КПГ, вычисляли ряд интефальных характеристик (параметров) для всего диапазона размеров, отдельно для мелких частиц с размером D Di, и крупных частиц-агломератов с D DL, где DL - наименьший размер агломератов, т. е. размер, разграничивающий мелкие и крупные частицы. Способ определения размера Di, будет описан ниже. Массовые интефальные характеристики обезразмеривали путем деления на массу топлива.
Например, безразмерная масса агломератов т = Mag /Мргор, где Mag и Мргор соответственно масса агломератов и масса топлива в фаммах. Использовали следующие безразмерные параметры: rcif - безразмерная масса мелких частиц, mA1f- безразмерная масса несгоревшего алюминия в мелких частицах, mag - безразмерная масса агломератов, mA1ag - безразмерная масса несгоревшего алюминия в агломератах, mccp - irif +mag - общая безразмерная масса КПГ, тлоср = тА1г +mAlag - общая безразмерная масса несгоревшего алюминия в КПГ, тА1рГОр - безразмерная начальная масса алюминия в топливе, mag/mccp - относительная доля агломератов в КПГ, піі/Шсср - относительная доля мелких частиц в КПГ, mA f/m ргор — неполнота сгорания алюминия в мелких частицах, TJ = т ag/mAlpr( p - неполнота сгорания алюминия агломератов, = (m prop - mAlag) /mA1prop = (1-т?) - полнота сгорания алюминия агломератов, mA ccp/mA рГор s mAVmA,prop +mA!ag/mAlprop - общая неполнота сгорания алюминия, mt: mai, - массовое соотношение мелких частиц и агломератов, mA f: т ag - массовое соотношение несгоревшего алюминия в мелких частицах и в агломератах, q = \ I (1+(тг - тЛ гУ(та& - тл1ае)) - отношение массы оксида аккумулированного на агломератах к общей массе образованного оксида (в предположении отсутствия потерь частиц), [Al]f = (mAVmf)-100% - процентное содержание несгоревшего алюминия в мелких частицах, [AlJag = (mAlag/mag)-100% - процентное содержание несгоревшего алюминия в агломератах, [At] = (niAlCCp/mci;p)-100% - процентное содержание несгоревшего алюминия во всей совокупности КПГ, В данном разделе представлены основы процедуры расчета, более подробное изложение имеется в [57]. В процессе горения частицы, покидающие поверхность, реагируют с газообразными продуктами горения топлива. При обработке результатов экспериментов с отборами, предполагали, что время реагирования частиц до момента замораживания можно отождествить со временем пребывания частиц в струе продуктов горения топливного образца, т. е. в охранной трубке и на начальном участке смешения струи продуктов со с путным потоком газа-разбавителя. Иными словами, считали, что частицы мгновенно гаснут на расстоянии L„ifx от среза стаканчика или охранной трубки, рис. 2.3, где Lmix -длина начального участка смешения коаксиальных турбулентных струй продуктов горения оттекающих от образца и окружающего газа-разбавителя.
Скорость горения топлива
Вследствие отсутствия данных о динамике погасания горящих частиц были сделаны довольно грубые предположения о местоположении гашения горящих частиц на расстоянии (Ltube+ Lmix) от поверхности горения. Для Lmix используется полуэмпирическая формула, значение Ltube известно точно. Поэтому оценку относительной погрешности вычисления tTC$ провели посредством вариации численных значений параметров, используемых в расчете. Экспериментальные значения диаметра и плотности частиц варьировали в пределах, определяемых доверительными интервалами, молекулярный вес и динамическую вязкость газообразных продуктов горения варьировали в пределах ±10 %. Указанные вариации входных параметров расчета приводили к изменению времени res не более чем на ±30 %. Вопрос о представительности отборов весьма важен, особенно для методики, предназначенной для отбора частиц всех размеров. Потери частиц возможны как при сжигании образцов топлива (например, оседание не на фильтрующих элементах, проскок через фильтр, и т. п.), так и в процессе препарирования и анализа отобранных частиц. Согласно [61], для фильтров типа АФА эффективность Е улавливания стандартного масляного аэрозоля с диаметром частиц 0.1-0.2 мкм при скорости фильтрации 1 см/с составляет Е » 95 %. Частицы этого диапазона размеров - наиболее проникающие, для других размеров частиц эффективность выше. Так» для частиц диаметром 0.3 мкм Е 99 %, для \ мкм частиц Е 99.99 %, для частиц мельче 0.1 мкм Е 99 %, для частиц 0.02-0.05 мкм Е 99.9 %. Это дает основание считать, что при правильной эксплуатации фильтра (скорость фильтрации близка к номинальной, отсутствуют повреждения фильтра крупными частицами, и т. д.) он эффективно улавливает не менее 95-99 % массы частиц. Для извлечения уловленных частиц фильтр растворяли в ацетоне. Для снижения концентрации материала фильтра суспензию отстаивали и ацетон частично удаляли. Оценки показывают, что сферические частицы диаметром 0.5 мкм и с плотностью как у оксида алюминия за 12 часов оседают в ацетоне на 5 см. Время седиментационного осаждения и высота сосуда были выбраны в соответствии с этой оценкой, поэтому удаление ацетона приводит к потере частиц с размером менее 0.5 мкм.
Подчеркнем, что этот размер не является пределом методики, а обусловлен удобством работы и применением для анализа мелких частиц «Малверн-ЗбООЕ», у которого эффективный нижний предел анализируемых частиц 0.5 мкм. С целью предотвращения оседания частиц не на фильтрующих элементах, в бомбе организован поток газа. Для защиты фильтра от ударов крупных частиц служит пакет металлических сеток. Перечисленные обстоятельства позволяют надеяться, что при использовании описанной методики отбора и препарирования частиц, потери массы не будут превышать 5 %. Рассмотрим, как обстоит дело на практике. Определим представительность отбора как отношение реально отобранной массы КПГ к расчетной массе КПГ: П = Мсср / (М р) , или, после деления числителя и знаменателя на массу топлива Мргор, в безразмерном виде: П = тсср / (тССр)МС. Имея полный набор параметров, характеризующих КПГ (см. раздел 2.3), расчетную массу КПГ можно оценить, последовательно вычисляя следующие безразмерные величины: тЛ ргор - mA1ccp - масса сгоревшего алюминия, (шА,ргор - тАсср)х 1.88946 — масса образованного при этом оксида, (m xp)taic = тЛ сср + (тЛІріч р - тА,еср)х 1.88946 - расчетная масса КПГ равна сумме массы нес горевшего алюминия и массы оксида, образованного из сгоревшего алюминия. Эта оценка базируется на следующих предположениях: (1) в состав топлива входит чистый 100 % алюминий; (2) КПГ топлива состоят только из алюминия и продуктов его горения; (3) единственный продукт горения алюминия - оксид АЬОз; (4) отбор КПГ по алюминию полностью п ре дставите лен. Поясним последнее предположение. При определении массы сгоревшего алюминия как разности между массой алюминия в топливе и в КПГ предполагается, что потерь частиц, содержащих алюминий, не происходит. Поскольку (это будет показано ниже) несгоревший алюминий находится в основном в агломератах, а теряться могут мелкие частицы (например, при препарировании фильтра), это предположение вполне оправдано.
Изготовление модельных топлив и окразцоп
Оба топлива имели одинаковое содержание (18 %) алюминия типа АСД-1 и крупного ПХА (37 % ситовой фракции 200-315 мкм). В рецептуре Е2 ) Здесь и далее для топлив используются те же обозначения, что и в опубликованных работах использовано энергетическое («активное») связующее на основе бутадиен-нитрильного каучука, пластифицированного диэтиленгликольдинитратом (ДЭГДН) [78, с. 624]. В рецептуре 12 использовано инертное связующее на основе изопренового каучука, пластифицированного трансформаторным маслом (ТМ). Чтобы сделать инертное связующее топлива 12 «псевдоактивным», было увеличено содержание мелкого ПХА с удельной поверхностью S = 6000 см /г, так что инертное связующее было «наполнено» мелким ГГХА. В то же время, суммарное содержание связующего и мелкого ПХА в обеих рецептурах было близко (45 % и 42 %). Кроме того, в состав топлива 12 с инертным связующим был введен ферроценовый катализатор, чтобы сблизить уровни скорости горения топлив 12 и Е2. Таким образом, было обеспечено близкое подобие геометрической (карманной) структуры топлив и временных параметров волны горения, что позволило вычленить влияние именно типа связующего. Образцы диаметром 11.5 мм и высотой 7 мм были бронированы клеем на основе эпоксидной смолы. Количество образцов в серии - 4, так что суммарная масса сгоревшего топлива была около 4 г и масса КПГ 1.3-2.5 г. Замораживающий газ - азот, продувка бомбы с массовым расходом 3.2 г/с. В данном разделе представлены только результаты, полученные в экспериментах без охранной трубки, т. е. при замораживании частиц КПГ вблизи поверхности горения. В такой постановке смешение продуктов горения с инертным газом начинается у среза стаканчика и отобранные КПГ характеризуют частицы, покидающие поверхность горения. Другая информация о горении топлив 12 и Е2 (данные скоростной киносъемки поверхности горения, данные о морфологии и плотности частиц-агломератов, данные об эволюции функций распределения агломератов и оксидных при удалении от поверхности горения и т. д.) имеется в [79-81].
Перейдем к описанию результатов экспериментов. На рис. 3.1 в качестве иллюстрации представлены «полные» функции распределения плотности относительной массы частиц КПГ по размерам f(D) (далее для краткости будем называть их просто массовыми распределениями) для топлив 12 и Е2 при давлении 4.3-4.4 МПа. На рис. 3.2 эти же распределения представлены в логарифмических координатах. Здесь и далее «полными» называем распределения частиц во всем анализируемом диапазоне размеров - от 0.5 мкм до максимального. Массовые распределения КПГ, представленные на рис. 3.1-3.2 достаточно типичны для алюминизированных топлив [33, 60, 70] и характеризуются следующими особенностями: (1) Ширина распределения весьма велика, т. е. имеется большой диапазон вариации размеров частиц. В приведенном примере для давления 43 атм максимальный размер частиц в случае топлива 12 достигает 1700 мкм, в случае топлива Е2 - 1300 мкм. То есть, даже в анализируемом диапазоне размер частиц (ось абсцисс) варьируется на четыре порядка. Применяемая методика гранулометрического анализа позволяет регистрировать изменения плотности относительной массы КПГ (ось ординат) в пределах нескольких порядков. В приведенном примере — на 3 порядка, рис. 3.2. Очевидно также, что анализ распределений в том виде, как они представлены на рис. 3.1, затруднителен по причине широкой вариации значений. (2) Имеются два хорошо различимых участка (диапазона размеров), разделенные локальными минимумом в районе 60-80 мкм, см. рис. 3.2. Как показывают результаты химического анализа отдельных фракций КПГ, табл. 3.3, частицы с размером мельче 80 мкм содержат не более 0.7 % металлического алюминия, т. е. состоят в основном из оксида алюминия. В противоположность этому непрореагировавшии алюминий сосредоточен в частицах крупнее 80 мкм, которые для данных топлив содержат до 30 % металлического алюминия. Указанная особенность дает возможность условно разделить всю массу КПГ на мелкие (фактически - оксидные) частицы, и крупные частицы - агломераты и анализировать их отдельно [70]. Рис. ЗА. Массовые распределения частиц КПГ топлив 12 (а) и Е2 (б). Оба фафика в линейных координатах даны в одном масштабе. Отборы проведены при давлении 4.3-4.4 МПа, замораживание частиц вблизи поверхности горения.
