Конкурс научных работ 2017 года

Влияние ультрадисперсных порошков железа и бора
на зажигание и горение
алюминизированных твердых топлив

Архипов В. А.¹, Глотов О .Г.², Зарко В. Е.^{1, 2}, Кискин А. Б.²,
Коротких А. Г.^{1, 3}, Слюсарский К. В.¹, Сорокин И. В.³, Янковский С. А.¹

¹⁾ Научно-исследовательский институт прикладной математики и механики Томского государственного университета (ТГУ), г. Томск, Россия
²⁾ Институт химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН (ИХКГ), г. Новосибирск, Россия
³⁾ Энергетический институт Национального исследовательского Томского политехнического университета (ТПУ), г. Томск, Россия

1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность.

Рецептуры твердых ракетных топлив на основе перхлората аммония (ПХА) в качестве окислителя, алюминия и полимерного связующего в качестве горючих достаточно эффективны и получили широкое распространение. При этом для алюминия характерны агломерация и образование конденсированного оксида, что порождает множество нежелательных последствий (неполнота сгорания металла, накопление шлаков в камере двигателя, эрозионное воздействие на элементы конструкции и др.). Минимизация этих последствий и создание топлив, превосходящих существующие, является важной прикладной и актуальной научной проблемой.

2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение.

Чрезвычайная сложность процесса горения смесевого топлива обусловливает значительные трудности при экспериментальном изучении, и, как следствие, отсутствие математических моделей, способных априори предсказать требуемые характеристики горения. Поэтому проведение экспериментальных исследований является основным источником данных, используемых для усовершенствования рецептур топлив.

В настоящее время в числе возможных путей «улучшения поведения» алюминия в волне горения рассматривают два фактора – повышение дисперсности металлического горючего и введение дополнительного горючего. Соответствующие экспериментальные исследования проводят в России, США, Италии, Германии, Индии, Китае и других странах.

Задачей представляемого цикла работ была экспериментальная оценка возможностей одновременного воздействия обоих указанных факторов на основные характеристики горения. Её решение позволяет сделать обоснованное заключение о перспективности рассматриваемых рецептурных модификаций.

3. Используемый подход, его новизна и оригинальность.

Для определения основных характеристик зажигания и горения исследованных топлив использована комплексная методика [1], сочетающая лучшие экспериментальные установки и технологии получения данных, разработанные в ИХКГ, ТГУ и ТПУ. Методика включает оригинальные установки – комплекс для лазерного зажигания, оборудованный датчиком реактивной силы и тепловизором; установку для гашения и отбора конденсированных продуктов горения и процедуры химико-аналитического определения неполноты сгорания металлического горючего; совокупность серийных приборов для дифференциально-термического, гранулометрического, морфологического и фазового анализов исходных материалов и продуктов горения. В [1] описана новая модификация установки для отбора продуктов. Комплексная методика позволила получить разносторонние и надежные данные.

4. Полученные результаты и их значимость.

Для решения поставленной задачи исследовали характеристики зажигания и горения трёх модельных смесевых топлив, приготовленных на основе ультрадисперсного алюминия типа Alex. Базовый состав: 64.6. % ПХА (фракции < 50 мкм и 160–315 мкм в соотношении 40/60); 19.7 % связующего (бутадиеновый каучук СКДМ-80, пластифицированный трансформаторным маслом); 15.7 % Alex. В двух других топливах два процента Alex заменяли на ультрадисперсные железо или бор, соответственно. В [2–4] установлено следующее:

· Введение Fe и B уменьшает время зажигания. Эффект более выражен в случае Fe: снижение времени c 0.55 до 0.34 c при плотности потока лазерного излучения 65 Вт/см².

· Введение Fe повышает уровень скорости горения в 1.3–1.4 раза в диапазоне давлений 2.2–7.5 МПа и не изменяет показатель n в степенной зависимости скорости горения от давления. При этом агломерация металлического горючего несколько усиливается: средний диаметр D₄₃ частиц-агломератов увеличивается в 1.2 раза, и содержание агломератов в конденсированных продуктах горения увеличивается в 1.4 раза.

· Введение B не изменяет скорость горения, но усиливает агломерацию, что проявляется в увеличении диаметра агломератов D₄₃ в 1.6-1.7 раза и в увеличении массового содержания частиц-агломератов в продуктах в 1.8–2.2 раза.

· Введение Fe и B изменяет гранулометрические характеристики конденсированных продуктов горения (функции распределения частиц по размерам). Так, средний диаметр d₃₀ оксидных частиц снижается на 15 % при введении Fe и на 30-40% при введении B.

Значимость результатов определяется практической полезностью обнаруженных закономерностей. Могут найти применение следующие эффекты: (1) Увеличение уровня скорости горения на 30–40 % без изменения показателя n посредством введения добавки железа. (2) Снижение среднего диаметра d₃₀ оксидных частиц на 30–40 % посредством введения добавки бора.

5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.

Полученные данные вносят вклад в представления о закономерностях горения и соответствуют современной тенденции изучения влияния наноразмерных компонентов в составе топливных рецептур на характеристики горения. Данные об эффектах ультрадисперсных Fe и B в мировой и российской литературе отсутствуют. Результаты были доложены на международных конференциях в Германии, Китае, Польше и на двух в России. Исследования проведены при частичной финансовой поддержке проектов РФФИ № 15-03-04321 (рук. Глотов О. Г.), РФФИ № 16-03-00630а (рук. Коротких А. Г.), РНФ № 16-19-10316 (рук. Громов А. А.), ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2014–2020 гг.»: «Разработка новых высокоэнергетических материалов (ВЭМ) и технических решений для перспективных схем гибридных двигателей космического назначения» (рук. Жуков А. С.).

6. Вклад авторского коллектива.

Экспериментальные данные по зажиганию получены совместно, отборы и анализ конденсированных продуктов горения проведены в Новосибирске, термодинамические расчёты в Новосибирске, подготовка текстов статей – совместно. В целом соотношение вкладов авторов из ИХКГ и из сторонних организаций можно оценить как 50/50.

Список публикаций.

Коротких А. Г., Архипов В. А., Зарко В. Е., Глотов О. Г., Кискин А. Б., Янковский С. А., Слюсарский К. В., Методика комплексного исследования характеристик зажигания и горения твердых топлив, Известия высших учебных заведений. Физика. Т. 57, № 8-2. С. 165-173. 2014.
Коротких А. Г., Архипов В. А., Глотов О. Г., Кискин А. Б., Зарко В. Е., Влияние порошка железа на характеристики зажигания и горения смесевых твердых топлив, Химическая физика и мезоскопия. Т. 17. № 1. С. 12-22. 2015.
Коротких А. Г., Архипов В. А., Глотов О. Г., Сорокин И. В., Влияние добавок ультрадисперсного порошка металла на характеристики горения ВЭМ, Химическая физика и мезоскопия. Т. 18, № 2. С. 179-186. 2016.
Korotkikh A. G., Glotov O. G., Arkhipov V. A., Zarko V. E., Kiskin A. B., Effect of iron and boron ultrafine powders on combustion of aluminized solid propellants, Combustion and Flame. V. 178. P. 195-204. 2017.