Конкурс научных работ 2014 годаОбразование оксидных частиц при горении алюминизированных конденсированных систем (обзор)Глотов О. Г., Зарко В. Е.Эффективность использования алюминия в качестве металлического горючего в топливных или пиротехнических композициях обусловлена трансформацией исходного металла в продукты горения – преимущественно оксид алюминия. Эта трансформация определяется в основном двумя процессами: (1) агломерацией порошкообразного металла в подповерхностном слое и на поверхности горения, и (2) горением алюминия в составе агломератов, а также в виде исходных неагломерировавших частиц. В случае ракетного двигателя указанные процессы, наряду с последующей эволюцией оксидных частиц в потоке газообразных продуктов горения, определяют параметры функции распределения оксидных частиц по размерам. Функции распределения агломератов и оксидных частиц в совокупности с данными о полноте сгорания алюминия содержат информацию, необходимую для оптимизации рецептуры композиций и оценки множества эффектов, связанных с эволюцией дисперсной фазы (накопление шлаков в двигателе, эрозия сопла, двухфазные потери удельного импульса, демпфирование колебаний газа в камере сгорания). Более того, характеристики оксидных частиц даже вне двигателя представляют интерес с точки зрения обнаружения старта ракеты по излучению выхлопной струи и для оценки экологических последствий работы двигателя. Перечисленные процессы и явления имеют важное практическое значение. Соответственно, проблемы исследования агломерации, горения металла и образования оксидных частиц актуальны и привлекают внимание учёных с 1960х годов, с начала реального использования алюминия в топливных рецептурах. Представленный на конкурс обзор является конспективным изложением результатов работ, выполненных в лаборатории горения конденсированных систем в 1990-2010 гг. Также упоминаются результаты исследования оксидных частиц в нанометровом диапазоне размеров, полученные совместно с сотрудниками лаборатории наночастиц. Обзор состоит из 4 разделов и списка литературы. Во вводном разделе 1 даны общие представления о поведении алюминия при горении смесевых композиций, на качественном уровне описаны процессы агломерации, эволюции горящих агломератов и образования оксидных частиц. В разделе 2 обсуждается многомодовый вид функции распределения частиц конденсированных продуктов горения по размерам и механизмы, приводящие к появлению наблюдаемых мод. В разделе 3 описана оригинальная методика, позволяющая гасить и отбирать частицы практически всех размеров (от субмикронных оксидных частиц до миллиметровых агломератов) на заданном расстоянии от горящего образца топлива. Методика разработана в нашем институте и по многим параметрам превосходит все известные в мире. Приведена сводка собственных экспериментальных данных, демонстрирующих влияние на агломерационные характеристики ряда рецептурных факторов, прежде малоизученных. Также представлены результаты исследований оксидных наночастиц, образующихся при горении алюминия. Обобщение накопленных экспериментальных данных позволило предложить концепцию оптимизации рецептуры композиции с целью достижения приемлемых характеристик дисперсной фазы и требуемых параметров скорости горения. На первой (теоретической) стадии проводятся термодинамические расчеты с вариацией набора и соотношения компонентов с целью достижения высокой полноты сгорания алюминия. На второй (экспериментальной) стадии оптимизация проводится путем вариации содержания алюминия и гранулометрического состава компонентов. При этом для контроля параметров дисперсной фазы используется метод отбора. В частности, для уменьшения размеров оксидных частиц следует уменьшать размер частиц металла в топливе (при условии отсутствия или минимизации их агломерации в волне горения). В заключении (раздел 4) сделан вывод о том, что дальнейший прогресс в изучении агломерации с целью снижения её интенсивности будет обеспечиваться экспериментами с хорошо охарактеризованными смесями и с применением методик, позволяющих исследовать физические и химические процессы в поверхностном слое горящего топлива (высокоскоростная калориметрия и видеосъёмка и т. п.). Список литературы насчитывает 36 источников, из них 27 – работы авторов и сотрудников Института. Обзор базируется на материалах: Обзор опубликован в журнале «Наука и технология энергетических материалов», издаваемом Японским обществом [пользователей] взрывчатых материалов (Japan Explosives Society), импакт-фактор журнала 0.213 (2013), ссылка http://www.jes.or.jp/mag_eng/stem/Vol.74/No.6.01.html V. E. Zarko, O. G. Glotov. Formation of Al oxide particles in combustion of aluminized condensed systems (Review), Science and Technology of Energetic Materials, Vol. 74, No. 6, 2013, P. 139-143. |