Глотов О. Г., Зарко В. Е., Карасев В. В., Симоненко В. Н., Кискин А. Б., Свит А. Г.
(лаборатория ГКС)
Для повышения энергетических характеристик в состав ракетных топлив включают порошкообразный алюминий, обладающий высокой теплотворной способностью реакции окисления. К сожалению, частицы металла с начальным размером 5-20 микрон в волне горения сливаются и образуют агломераты размером 100-500 микрон, что вызывает ряд нежелательных эффектов. В частности, полное сгорание агломератов требует значительного времени, и они не успевают сгореть в двигателе. Кроме того, вследствие инерционности агломераты не в состоянии следовать линиям тока газа и частично оседают внутри ракетного двигателя, что влечет за собой как появление балластной массы, так и возможность повреждения элементов конструкции.Существующий в настоящее время уровень развития теории горения гетерогенных топлив не позволяет сформулировать физико-математическую модель, способную предсказывать поведение металла в волне горения, в частности, функцию распределения агломератов по размерам. Также отсутствуют модели горения агломератов, способные предсказывать динамику выгорания алюминия, и в конечном итоге полноту превращения металла в оксид. Для развития теоретических представлений о механизме горения топлива, о процессах агломерации алюминия и о горении агломератов необходима экспериментальная информация. Вместе с тем, из-за отсутствия теоретических моделей, экспериментальные данные служат основой для оптимизации реальных рецептур топлив и конструкций двигателей.
В лаборатории ГКС в содружестве с ФНПЦ “Алтай” выполнены детальные экспериментальные исследования агломерационных характеристик алюминизированных твердых топлив [1-10] и закономерностей выгорания агломератов [2, 11-13]. Основное внимание уделено влиянию компонентного состава топлива на агломерацию металла. С использованием оригинальной методики отборов конденсированных продуктов горения при давлениях до 85 атм исследованы десятки топливных композиций, основанных на разных типах горючего-связующего и содержащих перхлорат аммония (ПХА), октоген и гексоген в различных пропорциях. При изготовлении топлив также варьировали и контролировали гранулометрический состав порошкообразных компонентов.
Базируясь на результатах анализа химического [4] и гранулометрического состава отобранных частиц, разработана методология оценки агломерационных свойств топлив. Ключевые параметры, характеризующие эти свойства – массовая доля агломератов в конденсированных продуктах горения, характерный размер агломератов и содержание несгоревшего алюминия в агломератах.
Основные результаты изучения агломерации
К группе топлив с сильно выраженной агломерацией, характеризующейся высоким содержанием несгоревшего металла и крупными агломератами, относятся топлива на основе изопренового связующего и на основе бутадиен-нитрильного каучука, пластифицированного диэтиленгликольдинитратом (энергетическое связующее) при условии наличия нитрамина (октогена или гексогена) в составе топлива.Слабая агломерация характерна для топлив на основе активного связующего, при обязательном условии отсутствия нитраминов, для топлив на основе бутадиенового связующего с октогеном, а также для топлива с алюмомагниевым сплавом и связующим полибутадиен с гидроксильными концевыми группами.
В особую группу выделены быстрогорящие топлива (скорость горения более 50 мм/с при 40 атм), для которых также характерна слабая агломерация независимо от природы компонентов, т. е. от способа, которым обеспечена высокая скорость горения. Например, это топлива на основе изопренового связующего с наполнением ультрадисперсным перхлоратом аммония, либо топлива на основе активного связующего с добавками ультрадисперсного алюминия, независимо от наличия октогена в составе топлива.
Таким образом установлено, что интенсивность агломерации наряду с традиционно учитываемыми факторами (скорость горения; содержание алюминия; гранулометрический состав перхлората аммония, нитраминов, алюминия), существенно зависит от способа модификации металлического горючего, от природы связующего и от сочетания компонентов. В частности, эффект снижения агломерации при замене инертного связующего на энергетическое может исчезнуть при введении октогена. Полученная совокупность данных может служить основой для построения объективных моделей горения смесевого топлива и агломерации алюминия. Продолжение работ должно включать углубленное исследование физико-химических процессов, происходящих в условиях быстрого нагрева в волне горения и обусловливающих процесс агломерации. Требуется определить, как свойства связующего соотносятся с возможностью сближения и объединения алюминиевых частиц, как влияет локальный состав топлива на окисление алюминия и зажигание агломератов, каковы механизмы удержания и отрыва агломератов.
?Исследована
макрокинетика
горения агломератов в факеле топлива.
Закономерности горения агломератов в форме зависимостей массы агломерата и массы несгоревшего (металлического) алюминия в агломерате от времени необходимы для теоретического описания динамики энерговыделения и движения двухфазной среды и потому чрезвычайно важны для практики. Однако, различия в структуре и размере индивидуальных агломератов не позволяют извлечь требуемые зависимости из данных, полученных для полидисперсной совокупности агломератов, отобранных при горении реальных топлив. Для решения проблемы нами предложен подход [1], основанный на использовании специальных образцов модельного топлива, генерирующих монодисперсные агломераты. К настоящему время проведены эксперименты с агломератами диаметром 400 - 540 мкм и 310 - 350 мкм и определены эмпирические зависимости полноты сгорания алюминия от времени и давления, а также определено соотношение масс оксида, аккумулированного на горящем агломерате, и дымового оксида, ушедшего во внешний поток, в зависимости от степени превращения алюминия [11-13]. Неожиданный и необычный результат – увеличение доли накопленного оксида при горения крупных (400-540 мкм) агломератов, вследствие чего их масса увеличивается по мере выгорания алюминия. Новая информация может быть использована для проведения расчетов горения металла в ракетном двигателе. Кроме того, соотношение масс накопленного и удаленного оксида – один из ключевых параметров для проверки теоретических моделей горения алюминиевой частицы.