CC BY
25УДК 621.372.812
Д. А. Ягодников, В. В. Козичев, А. В. Сергеев, И. В. Гавриленко
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ ГОРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СИСТЕМ ПРИ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЯХ
Рассмотрены вопросы экспериментального определения скорости горения энергетических конденсированных систем (ЭКС) в условиях высокого давления на стационарных и нестационарных режимах. Дано обоснование выбора метода измерения, описание экспериментальной установки, обозначены особенности практической отработки установки. Приведены результаты экспериментальных исследований ЭКС различного состава.
E-mail: daj@bmstu.ru; samuraijack85@rambler.ru
Ключевые слова: энергетические конденсированные системы, скорость горения, высокое давление, СВЧ-метод измерения.
В последнее время все большее распространение получают импульсные ракетные двигательные установки (ИРДУ), которые используются как корректирующие двигатели высокоточных летательных аппаратов, а также в качестве вспомогательных двигателей ракет-носителей. В современных ИРДУ номинальное давление достигает 120 МПа, а в перспективных разработках этот параметр может быть увеличен до 200 МПа [1].
Повышение интереса к ИРДУ делает еще более актуальной задачу изучения процесса горения энергетических конденсированных систем (ЭКС) при высоких значениях давления на различных режимах, поскольку важно иметь исчерпывающую достоверную информацию о параметрах и характеристиках процесса горения ЭКС, в том числе о законе горения топливных композиций.
Современные средства исследования процесса горения в основном позволяют получать данные о скорости горения при давлении до 20...30 МПа. Термопарным методом можно выявить характеристики процесса горения при давлении до 50 МПа и более. Однако ввиду особенностей этого метода при высоких давлениях погрешность измерения скорости горения увеличивается. Также данный метод не обеспечивает приемлемую точность при изучении нестационарных процессов. Манометрический метод [2] дает возможность исследовать скорость горения ЭКС при давлении до 200 МПа и более. Однако он позволяет работать исключительно с малоразмерными образцами (массой до единиц граммов) на нестационарном режиме с высокими значениями скорости роста давления (до 100.1 000 МПа/с и более), а трудности учета процесса теплообмена между продуктами
сгорания (ПС) и элементами конструкции [3] приводят к заведомо невысокой точности экспериментальных данных. При использовании ультразвуковых методов [4] ограничение накладывается на максимальную измеряемую скорость горения ЭКС и максимальную величину давления в камере сгорания (КС).
При работе в области высоких давлений по сравнению с обозначенными методами преимуществами обладает СВЧ-метод измерения скорости горения ЭКС [5], поскольку при его использовании непосредственно осуществляется определение положения фронта горения с высокой разрешающей способностью вне зависимости от внутрикамерных процессов, что исключает их влияние на точность измерения.
К достоинствам данного метода измерения относится безынерци-онность ввиду высокой временной разрешающей способности (25 мкс и более), что позволяет исследовать быстропротекающие процессы, такие как горение быстрогорящих (до единиц м/с) материалов, нестационарные режимы и т. п. Пространственная разрешающая способность изменяется в процессе выгорания образца и составляет 0,034.. .0,0028 мм. Теоретическая точность определения скорости горения может достигать 1 %. Практически достижимый уровень погрешности составляет 4,5 %, он зависит от таких факторов, как состав, физические и диэлектрические параметры ЭКС и ее компонентов, длина образца и др. [5].
При исследовании горения ЭКС при давлениях до 200 МПа определенные трудности обусловлены прочностью элементов системы измерения, в частности гермоввода СВЧ-излучения. В случае изготовления гермоввода из стеклотекстолита с пределом прочности 350.540 МПа (в зависимости от ориентации армирующего материала) максимально допустимое внутрикамерное давление составляет 150 МПа. При применении радиопрозрачных керамических материалов с высоким пределом прочности и модулем упругости допустимая величина внутрикамерного давления может достигать 300 МПа и более [6].
На рис. 1 представлена принципиальная схема устройства для определения положения фронта горения ЭКС СВЧ-методом. Система состоит из измерителя полных сопротивлений (ИПС) с гермовводом СВЧ-излучения в камеру сгорания и волноводной втулкой с исследуемым образцом ЭКС в виде образца торцового горения. СВЧ-излучение вводят в исследуемый образец со стороны забронированного торца. Электромагнитная волна проходит через образец ЭКС и, отражаясь от границы раздела фаз продукты сгорания — ЭКС, возвращается обратно. Определение положения фронта горения основано на измерении параметров электромагнитного поля, образованного прямой и отраженной от фронта горения электромагнитными волнами. Линейную скорость горения ЭКС вычисляют путем численного дифференцирования положения фронта горения по времени. Сопо-
ставление величин внутрикамерного давления и скорости перемещения поверхности горения позволяет определить закон горения ЭКС по результатам проведения одного эксперимента.
Рис. 1. Схема облучения образца в металлическом волноводе:
1 — измеритель полных сопротивлений; 2 — гермоввод; 3 — бронеформа; 4 — образец ЭКС; 5 — металлический волновод
Целью данной работы является разработка экспериментальной установки, метода измерения и исследование скорости горения ЭКС при давлениях до 100 МПа на квазистационарных режимах и режиме роста давления.
/ 13
Рис. 2. Пневмогидравлическая схема огневой части установки:
1 — СВЧ-система измерения положения фронта горения; 2 — камера сгорания; 3 — дополнительный образец; 4 — балласт; 5 — датчик давления; 6 — клапан принудительного сброса давления; 7 — предохранительный клапан; 8 — устройство нулевой тяги; 9 — баллон высокого давления; 10 — баллонный вентиль; 11 — газовый редуктор; 12 — электроклапан системы наддува; 13 — обратный клапан
Экспериментальная установка [7] состоит из камеры сгорания, затворного узла и системы обеспечения режимов работы, содержание которой варьируется в зависимости от текущей задачи. На рис. 2 представлена пневмогидравлическая схема (ПГС) установки. Затвор-
ный узел [6] служит коммуникационным звеном между системой измерения и рабочим участком установки и состоит из образца исследуемого материала, воспламенителя и гермоввода электромагнитного излучения. Система измерения включает в себя генератор СВЧ-излучения с частотой 9,03 ГГц и мощностью 54 мВт, ферритовый вентиль, 4-зондовый датчик полных сопротивлений и магистральные волноводы.
Высокое давление в КС достигают за счет сгорания образца ЭКС в замкнутой КС постоянного объема. Данный способ позволяет реализовать небольшие скорости роста давления, а также по сравнению с горением на стационарном режиме с истечением в окружающую среду продуктов сгорания через критическое сечение дает возможность за один эксперимент получить закон горения в широком диапазоне изменения значений давления.
В качестве исследуемого объекта использовали цилиндрический образец ЭКС торцового горения диаметром 18 мм. Величину и зависимость скорости роста давления в КС от времени настраивали за счет изменения соотношения свободного объема и длины образца. Регулирование свободного объема осуществляли заполнением КС балластом, выполненным из жидкости или твердого теплоизолирующего материала. Дополнительными способами настройки служат величина предварительного наддува и параметры вспомогательного образца ЭКС, используемого для увеличения массоприхода продуктов сгорания и соответствующего повышения величины и скорости роста давления.
Эксперимент проводили по следующей методике. Затворный узел снаряжали образцом исследуемого ЭКС, забронированным по холодному торцу и боковой поверхности, и газофакельным воспламенителем [8, 9] с навеской воспламенительного состава. Дополнительно под кожухом затворного узла может быть размещен вспомогательный образец, предназначенный для увеличения максимального давления либо для увеличения скорости роста давления. Далее снаряженный затворный узел устанавливали в КС и фиксировали байонетным замком, подключали системы измерения, питания воспламенителя и магистраль наддува. За 2 с до замыкания цепи вос-пламенительного устройства включали регистрацию данных на ЭВМ (частота дискретизации 1,7.100 кГц) — величин внутрикамерного давления и положения фронта горения. Предварительный наддув КС инертным газом осуществляли в случае необходимости обеспечения повышенных начальных значений давления в КС.
В работе [7] проанализирована теория и практика влияния различных параметров установки на величину и скорость изменения давления при горении образца. Выведены зависимости, позволяющие аналитически рассчитать величину и скорость изменения давления по времени для известных параметров ЭКС и установки. Данные зависимости используют для прогнозирования режимов работы на основе результатов предварительного пуска или имеющейся информа-
ции о характеристиках горения ЭКС. В ходе отработки стенда, включающей проведение экспериментальных работ на различных ЭКС, установлено, что допущение об отсутствии тепловых потерь можно использовать при давлении в КС до 10 МПа. При более высоком давлении теплообмен между продуктами сгорания исследуемой ЭКС, элементами КС и затворного узла вызывает резкое понижение температуры продуктов сгорания и, как следствие, снижение достижимого уровня давления по сравнению с расчетной величиной. Такая степень реализации давления может составлять 10.40 % в зависимости от параметров установки и исследуемого образца ЭКС.
Другой характерной особенностью эксплуатации установки при давлении свыше 30 МПа является различие схем бронирования образцов в зависимости от механических параметров ЭКС. Смесевые ЭКС на основе полимерных материалов и каучуков характеризуются хорошей адгезией к материалу бронировки и могут быть забронированы непосредственно в металлическую втулку-волновод. Балли-ститные ЭКС обладают невысокой адгезией, особенно в случае с гладкой поверхностью образца. Под действием внутрикамерного давления величиной свыше 15.20 МПа наблюдалось отслоение бронирующего покрытия от наружной поверхности ЭКС с последующим прогаром.
Для исключения прогара разработана специальная методика бронирования. В соответствии с ней обточенный (с уровнем шероховатости поверхности не менее 0,05 мм) до заведомо меньшего диаметра образец покрывали слоем бронирующего покрытия и обтачивали в размер втулки-волновода. При этом бронирующее покрытие механически не связано с материалом втулки-волновода, оно деформируется под действием внутрикамерного давления совместно с образцом ЭКС, не отслаиваясь от него. Экспериментально подтверждена работоспособность данной схемы при давлении до 50 МПа.
В ходе отработки экспериментальной установки и методики проведены исследования трех видов ЭКС. Типовая осциллограмма изменения давления в КС приведена на рис. 3. Результаты вторичной обработки, при которой исследовали изменение скорости горения по времени, представлены на рис. 4.
х 107 5 г
0
4 6 8 10 12
I, с
Рис. 3. Типовая осциллограмма изменения давления в КС
и С
Рис. 4. Осциллограмма изменения скорости горения
Для баллиститных ЭКС марок Н и Р (рис. 5, а и б) получены законы горения при давлении до 24 МПа и 32 МПа соответственно. Для ЭКС марки Н полученные экспериментальные данные хорошо согласуются с известным степенным законом горения во всем достигнутом диапазоне значений давлений:
(
u = 0,7
Л
0,6
v98 066,5у
где и — скорость горения, мм/с; р — давление в КС, Па.
Полученный закон горения ЭКС марки Р удовлетворительно согласуется с известным паспортным законом горения:
(
u = 3,26
0
v 98 066,5 j
при давлении до 9 МПа, после чего наблюдается переход закона горения в линейный:
Г р Л
и = 4,7 + 6,8 -£- .
^ 98 066,5 )
Для смесевого низкотемпературного ЭКС (рис. 5, в) определен закон горения в диапазоне значений давлений 4.50 МПа, который в области низких давлений хорошо согласуется с известными экспериментальными значениями стационарной скорости, мм/с:
(
u = 2,47
Л
0,26
v 98 066,5 j
В диапазоне значений давлений 17.27 МПа зарегистрирована слабая зависимость линейной скорости горения от давления. При давлении более 27.30 МПа начинается резкий рост скорости горения, изменяющийся по линейному закону:
г р ^
и = -5,225 + 0,042 -£- .
^ 98 066,5 )
и, мм/с /
20
\
и, мм/с/
15
\
10
15
du,/и, %
\ \
\ 4 V, г 3
15
05
О 5
15 20 25 30 35 iO б
1 2 3
/ 1
10
15 20 25 30 35 iO i5 50
р, МПа
в
Рис. 5. Обобщенные результаты огневых пусков для баллиститных ЭКС марок Н (а), Р (б) и смесевого ЭКС (в):
1 — паспортный закон горения; 2 — результаты вторичной обработки экспериментальных данных; 3 — средняя относительная погрешность определения закона горения; 4 — полученный закон горения
Таким образом, разработанные экспериментальная установка и СВЧ-метод диагностики позволили определить закон горения балли-ститных и смесевых ЭКС в диапазоне значений давлений 0,1.50 МПа с погрешностью до 5 %.
Работа выполнена при поддержке гранда РФФИ № 11-08-01186-а.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Проектирование зенитных управляемых ракет / И.И. Архангельский, П.П. Афанасьев, Е.Г. Болотов и др.; под ред. И.С. Голубева, В.Г. Светлова. М.: Изд-во МАИ, 2001. 732 с.
2. Хоменко Ю. П., Широков В. М. Определение нестационарных законов горения пороха на основе манометрических испытаний // Физика горения и взрыва. 2006. Т. 42, № 2. С. 29-38.
3. Архипов В. А., Зимин Д. А. Анализ условий применимости обратных методов восстановления нестационарной скорости горения // Физика горения и взрыва. 2000. Т. 36, № 3. С. 39-43.
4. Коти Ф., Ерейдес Ч. Ультразвуковой метод измерения скорости горения: ошибки, шумы и чувствительность // Физика горения и взрыва. 2000. Т. 36, № 1. С. 59-67.
5. Лавров Б. П., Шарай Ю. М. Определение скорости горения твердого топлива с применением измерителя полных сопротивлений СВЧ-диапазона // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Приборостроение.
2009. № 1. С. 28-36.
6. Экспериментальная методика и модельная установка для исследования горения энергетических конденсированных систем при высоких давлениях / Д.А. Ягодников [и др.] // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. Спец. вып. "Энергетическое и транспортное машиностроение".
2010. С. 63-73.
7. Применение СВЧ-метода измерения скорости горения энергетических конденсированных систем в условиях сверхвысокого давления / Д.А. Ягодников, Б.П. Лавров, А.В. Сергеев, М.Ю. Антонов, В.В. Козичев // Наука и образование. Электронное научно-техническое издание. Москва. 2011. http://technomag.edu.ru 77-30569/306807.
8. Пат. ЯИ 2415290 С1. Устройство воспламенения образца твердого ракетного топлива и способ воспламенения с его использованием / А.В. Сухов, Б.П. Лавров, А.В. Сергеев. Заявл. 27.08.2009; Опубл. 27.03.2011. Бюлл. № 9.
9. Газофакельное воспламенительное устройство / А.В. Сухов [и др.] // Вестник МГТУ им Н.Э.Баумана. Сер. Машиностроение. 2010. № 3. С. 70-76.
Статья поступила в редакцию 26.09.2012
