Глобальная цель данной работы связана с изучением химии горения конденсированных систем (КС), знание которой необходимо для решения фундаментальной научной проблемы, связанной с построением модели горения конденсированных систем. Такая модель должна базироваться на детальной химической кинетике во всех зонах горения, а также учитывать наличие (и, соответственно, включать механизм расходования) паров энергетических материалов (ЭМ) в газовой фазе. Достоверная модель горения должна описывать экспериментальные данные, полученные в широком диапазоне начальных температур и давлений. Для ряда энергетических материалов уже достигнуты несомненные успехи в моделировании процесса их горения. Однако, дальнейшее развитие моделей горения ЭМ во многом ограничено отсутствием экспериментальных данных по структуре пламени, полученных при высоком давлении. Данная работа призвана показать возможность проведения таких исследований с помощью метода молекулярно-пучковой масс-спектрометрии на примере смесей нитраминов и азидополимеров.
В данной работе приведены результаты изучения химии горения модельных топлив на основе энергетических материалов (смесь нитраминов и азидополимеров) при давлении 1 МПа. Исследовалась химическая и тепловая структура их пламен методом молекулярно-пучковой масс-спектрометрии и микротермопар. Особое внимание уделялось количественному определению состава продуктов газификации, включая идентификацию паров нитраминов в волне горения вблизи поверхности горения и их количественное измерение. Состав продуктов газификации является граничным условием при моделировании структуры пламени ЭМ в газовой фазе. Сравнение результатов эксперимента по структуре пламени с результатами моделирования позволяет развивать и уточнять детальный кинетический механизм химических превращений продуктов газификации, ответственных за тепловыделение в газовой фазе. Анализ продуктов газификации также позволяет получить информацию о реакциях, протекающих в конденсированной фазе.
Зондовая масс-спектрометрия является наиболее эффективной и универсальной экспериментальной методикой исследования химической структуры пламен конденсированных систем.
В этой работе метод молекулярно-пучковой масс-спектрометрии (МПМС) был впервые применен для исследования структуры пламени модельных топлив при таком высоком давлении (1 МПа).
Новизна и оригинальность применения зондовой методики в данных исследованиях заключается в использовании двух типов кварцевых зондов (с различной толщиной стенки) для получения полной структуры пламени. Состав продуктов вблизи поверхности горения определялся с помощью толстостенного зонда, а вдали – с помощью тонкостенного. Сравнение концентрационных профилей, полученных с помощью толстостенного зонда и тонкостенного зонда для модельного топлива при давлении 1 МПа, показало, что они с хорошей точностью совпадают на расстоянии ~ 0,2 мм от поверхности горения.
Важной особенностью проведенных в данной работе измерений температурных профилей в волне горения топлив с помощью термопар, вставленных в образец, является визуализация (видеозапись) процесса выхода термопары из образца. Это позволило выбрать температурные профили, которые были измерены корректно. Профиль принимался в рассмотрение, только если во время выхода термопары в газовую фазу 1) плечи термопары были параллельны поверхности горения и 2) на поверхности термопары не наблюдалось никакого остатка, частиц и т.п.
Для получения паров нитраминов при атмосферном давлении был использован проточный реактор для исследования термического разложения конденсированных систем. Были получены индивидуальные масс-спектры нитраминов и коэффициенты их чувствительности, которые затем были использованы для идентификации паров нитраминов в пламени и их количественного измерения.
Результаты работы были представлены на:
Работа выполнялась при поддержке гранта DAAD19-02-1-0373 Исследовательского Офиса Армии США.