Химия горения циклических нитраминов при атмосферном давлении

Палецкий А.А., Коробейничев О.П., Волков Е.Н.

Представленный на конкурс цикл работ посвящен изучению при атмосферном давлении химии горения (главным образом химической структуры пламени) двух основных представителей циклических нитраминов – гексогена и октогена. Методом МПМС впервые удалось получить прямые экспериментальные доказательства существования двухзонной структуры их пламен и путем обработки данных найти уравнение брутто-реакции газификации этих веществ. В этот цикл также входит обзор по химии горения ЭМ, значительная часть которого посвящена указанным выше веществам.

1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность.

Фундаментальный аспект данной работы связан с построением адекватной модели горения существующих энергетических материалов (ЭМ), которая должна описывать широкий спектр экспериментальных данных и обладать предсказательной способностью характеристик процесса горения, в областях, где постановка эксперимента невозможна. Актуальность создания модели горения ЭМ, базирующейся на современных решениях задач тепло- и массо- переноса и детальной кинетики в конденсированной и газовой фазе, неразрывно связана с перспективой её использования в современных условиях синтеза и применения новых ЭМ. Актуальность исследования химии горения ЭМ связана с недостатком экспериментальных данных в волне горения, требующихся для развития и проверки существующих моделей горения на молекулярном уровне.

2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение.

В представленных на конкурс работах приведены результаты исследования при атмосферном давлении полной структуры пламен гексогена и октогена, включая узкие зоны, методом молекулярно-пучковой масс-спектрометрии (МПМС). Объекты исследования - гексоген и октоген - являются типичными представителями энергетических материалов из ряда циклических нитраминов. Методом МПМС была проведена идентификация основных и промежуточных продуктов горения нитраминов и измерены профили их концентраций в зависимости от расстояния до поверхности горения. Зондовый отбор пробы в газовой фазе проводился в различных зонах пламени, когда температура в газовой фазе в результате протекания химических реакций во фронте пламени менялась от ~600 до ~2800 К. Уравнение брутто-реакции газификации, полученное на границе раздела конденсированной и газовой фаз, играет важную роль в теории горения. Состав продуктов газификации вместе с температурой поверхности являются входными данными в расчетных программах (например, PREMIX из пакета CHEMKIN), а профили концентраций веществ используются при создании детального кинетического механизма химических реакций. В настоящее время механизмы химических реакций входят в модель горения как важное самостоятельное звено. Уравнения брутто-реакций газификации нитраминов, полученные в работах, позволили рассчитать тепловыделение в к-фазе за счет протекания там экзотермических реакций. Сравнение количества тепла, выделившегося в к-фазе, с другими величинами тепловыделения позволяет определить ведущую стадию в процессе горения ЭМ и является одним из важных параметров в теории горения. Кроме того, состав продуктов газификации позволяет получить информацию о реакциях, протекающих в конденсированной фазе.

3. Используемые подходы, новизна и оригинальность.

• Новизна и оригинальность данной работы заключается в прямом обнаружении двух зон в пламени гексогена/октогена при давлении 0,1 МПа и определении брутто-реакции их газификации. Состав продуктов газификации был рассчитан с учетом диффузионных потоков, которые ранее не рассматривались.
 • В работе проведен анализ и сравнение величин тепловыделения в конденсированной фазе, рассчитанных с помощью 1) брутто-реакции газификации и 2) уравнения теплового баланса на поверхности горения (с использованием литературных данных микротермопарных измерений). Во втором случае были использованы: а) новое значение коэффициента теплопроводности газа в приповерхностной зоне, рассчитанное по измеренному нами составу продуктов газификации; б) использована температурная зависимость теплоемкости к-фазы нитраминов. В результате предложены новые значения величин тепловыделения в к-фазе нитраминов, отличающиеся от литературных значений.
• Анализ конечных продуктов сгорания нитраминов с учетом концентраций радикалов H и OH показал, что температура в пламени нитраминов не достигает адиабатического значения и находится в соответствии с экспериментальными данными других авторов. Расчеты проводились на расстоянии ~2 мм при давлении 0.1 МПа, где по результатам исследований структуры пламени нитраминов прекращаются химические реакции.
 • На основе экспериментальных данных высказано предположение о соответствии давления паров нитраминов вблизи поверхности горения равновесному давлению их паров при температуре поверхности.

4. Полученные результаты и их значимость.

• Методом МПМС исследована химическая структура пламени циклических нитраминов (октогена и гексогена) при давлении 1 атм. Обнаружено, что при атмосферном давлении горение октогена (в отличие от гексогена) было нестабильным. В пламенах октогена и гексогена при их самоподдерживающемся горении при давлении 1 атм зарегистрировано 11 компонентов (H2, H2O, HCN, CO2, CO, N2, N2O, CH2O, NO, NO2 и пары нитрамина (октогена или гексогена). Массовая доля паров на поверхности горения в случае гексогена составляет ~ 40% и ~35% в случае октогена.
• Установлено, что пламя нитраминов при давлении 1 атм имеет двухзонную структуру. В первой зоне пламени происходит расходование паров нитрамина (октогена или гексогена), NO2, CH2O и частичное расходование N2O с образованием H2, H2O, CO, N2, CO2, HCN и NO. Во второй зоне пламени основной реакцией является реакция окисления HCN окисью азота, сопровождающаяся образованием конечных продуктов горения.
 • Используя экспериментальные данные, определены брутто-реакции газификации нитраминов при атмосферном давлении. Двумя способами рассчитана величина тепловыделения в конденсированной фазе исследованных нитраминов (гексогена и октогена): 1) с помощью полученной реакции газификации и 2) по литературным данным измерений профилей температур с помощью уравнения теплового баланса на поверхности горения. В случае гексогена модифицируя измеренный состав продуктов горения в пределах погрешности его определения, можно получить согласие между двумя этими величинами.
• Полученные данные могут быть использованы для дальнейшего развития механизма газофазных химических реакций и проверки моделей горения нитраминов.

5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.

Результаты работы были представлены на следующих конференциях:
• 5 Международный семинар по структуре пламени, Новосибирск, Россия, 11-14 июля 2005
• Научно-техническая конференция молодых ученых «Перспективы создания и применения конденсированных энергетических материалов», Бийск, 27-29 сентября 2006
• 31st International Symposium on Combustion, Heidelberg, Germany, August 6-11, 2006
• Всероссийская научно-техническая конференция “Успехи в специальной химии и химической технологии”, 8-10 июня, 2005, Москва, Россия.
• European Combustion Meeting 2005, Louvain-la-Neuve, Belgium
• 7th International Symposium on Special Topics in Chemical Propulsion, September 17-21, 2007 Kyoto, Japan.

Институтом проблем химико-энергетических технологий СО РАН, ФНПЦ “Алтай” и Бийским технологическим институтом АлтГТУ им. Ползунова наградил Волкова Е.Н. почетной грамотой за участие в Научно-технической конференции молодых ученых “Перспективы создания и применения конденсированных энергетических материалов”.
Работа выполнялась при поддержке
 • Минобразования России по гранту № А03-2.10-621
 • ARO США по гранту № DAAD19-02-1-0373.

Список прилагаемых статей.
  1. Е.Н. Волков, А.А. Палецкий, О.П. Коробейничев “Структура пламени гексогена при атмосферном давлении”, Физика горения и взрыва, т.44, №1, С.49-62 (2008).
  2. О. П. Коробейничев, А. А. Палецкий, Е. Н. Волков “Структура пламени и химия горения энергетических материалов”, Химическая физика, т.27, №4, С.34-59 (2008).
  3. А.А. Палецкий, Е.Н. Волков, О.П. Коробейничев “Структура пламени октогена при горении в воздухе при давлении 1 атм”, Физика горения и взрыва, т.44, №6, С. 26-43 (2008)
Все работы выполнены в лаборатории кинетики процессов горения Института при непосредственном участии Волкова Е.Н., который в настоящее время является сотрудником Университета технологий (Эйндховен, Нидерланды).