Развитие ракетной техники тесно связано с совершенствованием топливных рецептур. При этом ставятся цели не только повышения энергетической мощи, но и удовлетворения экологических требований. В частности, большое внимание уделяется в последнее время созданию топлив на основе бесхлорных окислителей взамен перхлората аммония, “рабочей лошадки” большинства современных топлив. Исключение хлорсодержащих веществ из числа продуктов горения должно способствовать снижению экологического ущерба. Наряду с этим ведутся работы по повышению эффективности сжигания металлического горючего. Известно, что агломерация металла (укрупнение частиц в волне горения) и образование конденсированного оксида ведут к ряду нежелательных последствий, как, например, неполнота сгорания металла, накопление шлаков в камере двигателя, потери удельного импульса, эрозионное воздействие на элементы конструкции и др.
Для решения задачи создания новых топлив, превосходящих существующие, необходимо проводить фундаментальные научные исследования в области изучения механизма горения смесевого топлива. Это следует из того, что эмпирический подход на современном этапе требует громадных затрат труда и времени, поскольку простые решения были реализованы в течение предыдущих 60-70 лет.
Многообразие компонентов и одновременное протекание различных по природе процессов (передача тепла, физические и химические взаимодействия компонентов и т. д.) обусловливают значительные трудности в изучении процесса горения смесевых топлив. Математические модели, способные априори предсказать все необходимые характеристики горения, отсутствуют. Проведение экспериментальных исследований служит основой для понимания механизма горения, источником требуемых данных о процессе и дает возможность оптимизировать топлива. Данный цикл работ посвящен исследованию механизма горения с целью снижения интенсивности агломерации алюминия [1-4], поиску эффективной замены ПХА другими энергетическими компонентами [1, 2], а также развитию современных экспериментальных методов диагностики [5, 6]. Перечисленные задачи отвечают современным тенденциям развития ракетных топлив. Полученные данные способствуют лучшему пониманию механизма горения и позволяют дать определенные практические рекомендации.
Экспериментальные исследования проведены с использованием методик, развитых в лаб. ГКС и не имеющих аналогов мире. Установка для гашения и отбора конденсированных продуктов горения с последующим анализом их свойств позволяет исследовать гранулометрический и химический состав частиц на заданном расстоянии от поверхности топлива и получать детальную информацию о характеристиках агломератов. Датчик реактивной силы позволяет получать уникальную информацию о нестационарном поведении скорости горения.
В [1] определены основные характеристики горения модельных топлив, содержащих мононитрат гидразина (МНГ) – бесхлорный окислитель, рассматриваемый в качестве потенциального кандидата на замену ПХА. Установлено, топлива с МНГ обладают приемлемыми для практического использования параметрами, что диктует необходимость дальнейших исследований. В топливе с МНГ удается понизить агломерацию алюминия путем частичной замены микронного порошка на наноразмерный.
Получение экспериментальных данных о неполноте сгорания алюминия основано на сравнении количеств металлического алюминия в исходном порошке и в продуктах горения. Химический анализ наноразмерных порошков алюминия обычными методами осложнен высокой активностью порошков. В [6] предложен и проверен цериметрический метод. Метод может быть рекомендован взамен традиционных, а область его применения не ограничена рамками диагностики процессов горения.
В [2] впервые проведено детальное исследование характеристик конденсированных продуктов горения топлив, в которых ПХА частично заменен октогеном или гексогеном, в широком диапазоне условий горения. Полученные данные дали возможность сформировать представления о механизме агломерации алюминия в топливах с нитраминами, отличные от традиционных, основанных на модели “карманов”. Показано, что для снижения интенсивности агломерации алюминия октоген предпочтительнее гексогена.
В [4] исследовано влияние ряда фторсодержащих покрытий на частицах алюминия на характеристики горения топлив. Показано, что использование некоторых покрытий приводит к снижению агломерации. В [3] построена простая математическая модель воспламенения металлической частицы с покрытием, которая позволяет объяснить полученные результаты снижением времени воспламенения частицы. На основе экспериментальных данных [4] для топлив, содержащих алюминий с фторсодержащими покрытиями, в [5] проведено математическое моделирование спектра сигнала реактивной силы. Показано, как событие отрыва агломерата от горящей поверхности находит отражение в сигнале реактивной силы. На основе этого подхода планируется развитие нового диагностического метода для характеризации дисперсной фазы горящего топлива с использованием спектра сигнала реактивной силы.
Экспериментальные данные для топлив с МНГ и топлив с алюминием с фторсодержащими покрытиями в зарубежной литературе отсутствуют (в российской представлены весьма ограниченно). Применение цериметрического метода для анализа нанопорошков алюминия предложено впервые. Применение датчика реактивной силы для диагностики дисперсной фазы предложено впервые.
Работы выполнены при финансовой поддержке контракта EOARD F61708-97-W0197, грантов INTAS 93-2560ext, INTAS 03-53-5203, МНТЦ № 2358.