Влияние Компонентного состава на агломерацию и полноту сгорания алюминия в твердых ракетных топливах

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

  1. Постепенная замена обычного алюминия на ультрадисперсный (“Алекс”) приводит к увеличению скорости горения и изменению всех характеристик горения, в том числе и агломерации. Показано, что посредством умеренного введения Алекса (1.5 %) можно добиться снижения агломерации даже при горении топливных рецептур с энергетическим связующим и нитрамином при сохранении приемлемого уровня скорости горения [5].
  2. Использование алюминиевых порошков с фторсодержащими покрытиями (доля покрытия не более 0.05 от массы алюминия) также модифицирует основные характеристики горения. Наиболее интересным из 5 опробованных оказался порошок с частицами, покрытыми (CH2=CH2-O)2Si[OCH2(CF2-CF2)2H2]2. Применение алюминия с таким покрытием приводит к снижению агломерации без изменения скорости горения. К сожалению, “пассивация” поверхности частиц наряду с подавлением агломерации ухудшила воспламеняемость частиц, что привело к уменьшению полноты сгорания алюминия [6, 7].
  3. Топливо, состоящее из ПХА (окислитель), полибутадиена с гидроксильными концевыми группами (связующее) и алюмомагниевого сплава Al/Mg=50/50 в качестве металлического горючего продемонстрировало практически полное сгорание металла вследствие чрезвычайно низкой агломерации [8]. Топлива с таким горючим считаются более экологически чистыми по сравнению с традиционными вследствие пониженного содержания HCl в продуктах горения. Проведенный рентгенофазный анализ конденсированных продуктов горения подтвердил связывание хлора посредством образования нетоксичного соединения MgCl2Ч 6H2O (бишофит с моноклинной кристаллической решеткой). Отметим, что топлива с алюмомагниевым сплавом не нашли применения в военной ракетной технике вследствие меньшей теплоты сгорания магния по сравнению с алюминием, однако в настоящее время интерес к ним возрождается в связи с применением твердотопливных ракет для космических исследований и ужесточением экологических требований. Работа [8] выполнена в сотрудничестве с Институтом космических и аэронавтических наук, Япония.

  4. На качественном уровне агломерационное поведение топлив подчиняется одному из двух сценариев – сильной или слабой агломерации. В порядке обобщения полученных экспериментальных данных, исследованные топлива можно причислить к одной из трех групп [9-10].
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.
  1. О. Г. Глотов, В. Е. Зарко, В. В. Карасев. Проблемы и перспективы изучения агломерации и эволюции агломератов методом отборов. Физика горения и взрыва. 2000. Т. 36, № 1. С. 161-172.
  2. О. Г. Глотов. Конденсированные продукты горения алюминизированных топлив. II. Эволюция частиц при удалении от поверхности горения. Физика горения ивзрыва. 2000. Т. 36, № 4. С. 66-78.
  3. О. Г. Глотов. "Конденсированные продукты горения алюминизированных топлив. III. Влияние газообразной инертной среды сжигания". Физика горения ивзрыва. 2002. Т. 38, № 1. С. 105-113.
  4. Fedotova T. D., Glotov O. G., Zarko V. E. "Chemical Analysis of Aluminum as a Propellant Ingredient and Determination of Aluminum and Aluminum Nitride in Condensed Combustion Products". Propellants, Explosives and Pyrotechnics, 2000, Vol. 25, No. 6, pp. 325-332.
  5. Glotov O. G., Zarko V. E., Beckstead M. W. "Agglomerate and Oxide Particles Generated in Combustion of Alex Containing Solid Propellants". In: Proc. of 31th Int. Annual Conf. of ICT Energetic materials: Anallysis, Diagnostics and Testing. Federal Republic of Germany, Karlsruhe, 2000. Report P 130. 14 pages.
  6. O. G. Glotov, V. E. Zarko, V. A. Shandakov, D. A. Yagodnikov. Study of the effect of polymer coating on aluminum Agglomeration. In: Proc. of 32th Int. Annual Conf. of ICT Energetic materials. Ignition, Combustion and Detonation. Federal Republic of Germany, Karlsruhe, 2001. Report P115. 14 pages.
  7. O. G. Glotov, A. B. Kiskin, V. E. Zarko, A. G. Svit, V. N. Simonenko, V. A. Shandakov, D. A. Yagodnikov, E. A. Andreev, A. V. Andreev. Ignition and combustion characteristics of propellants containing coated aluminumparticles. In: Proc. of 33th Int. Annual Conference of ICT Energetic Materials: Synthesis, Production and Application. Federal Republic of Germany, Karlsruhe, 2002. Report P80. 14 pages.
  8. K. Hori, O. G. Glotov, V. E. Zarko, H. Habu, A. M. M. Faisal, T. D. Fedotova. Study of the combustion residues for Mg/Al solid propellant. In: Proc. of 33th Int. Annual Conference of ICT Energetic Materials: Synthesis, Production and Application. Federal Republic of Germany, Karlsruhe, 2002. Report P71. 14 pages.
  9. Glotov O. G., Zarko V. E. Condensed Combustion Products of Aluminized Propellants. Transactions of the Aeronautical and Astronautical Society of the Republic of China, Vol. 34, No. 3, 2002, pp. 247-256.
  10. Glotov O. G., Zarko V. E., "Agglomeration in Combustion of Aluminized Solid Propellants with Varied Formulation," In: Proc. of 2nd European conference on Launcher Technology - Space Solid Propulsion, Italy, Rome, 2000. 14 pages.
  11. Глотов О. Г., Карасев В. В., Зарко В. Е., Федотова Т. Д. "Закономерности движения и эволюции алюминиевых агломератов в продуктах горения модельного топлива". В кн.: Химическая физика процессов горения и взрыва. XII Симпозиум по горению и взрыву, Часть I. 11-15 сентября, Черноголовка, 2000, с. 36-37.
  12. O. G. Glotov, V. V. Karasev, V. E. Zarko, T. D. Fedotova, M. W. Beckstead. Evolution of aluminum agglomerates moving in combustion products of model solid propellant. In: Combustion of Energetic Materials / Kenneth K. Kuo and Luigi T. De Luca, Eds., New York, Begell House, 2002. P. 397-406.
  13. О. Г. Глотов, В. Е. Зарко, В. В. Карасев, Т. Д. Федотова, А. Д. Рычков. Макрокинетика горения монодисперсных агломератов в факеле модельного твердого топлива. Физика горения и взрыва. 2003. Т. 39, № 5. C 74-85.