Горение катализированного пороха в поле массовых сил Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 534.54

И, С. Третьяков

V ■ ЕНИЕ КАТАЛИЗИРОВАННОГО ПОРОХ,- - ', ЛЕ МАССОВЫХ СИЛ

Томский государственный педагогический университет

Экспериментальный стенд

Твердые пороховые составы находят широкое применение в высокоэнергетических технологиях, В некоторых случаях, например при разгоне гироскопов, стабилизации вращением, маневрировании летательных аппаратов на орбите и т.п., их горение происходит в условиях воздействия массовых сил. При этом на поверхности горения возникают перегрузки до 2000 §, а при разгоне пороховых гироскопов ускорения превышают нормальное в 50-100 тыс. раз. В связи с этим представляется важным исследование поведения скорости трения пороков в поле массовых сил [1].

Изучение влияния, перегрузок, направленных по нормали к поверхности топлива, проводилось на установке для групповых испытаний [2]. Установка для групповых испытаний образцов (рис, 1) представляет модельную полузамкнутую камеру сгорания 1 с устройством для регулирования давления и подачи охлаждающей жидкости 2 и узлом сброса давления в виде сгорающей пробки 3. Камера сгорания і выполнена в виде ступенчатого диска, внутри которого на каждой ступени равномерно по окружности рас-положены гнезда с исследуемыми образцами 4. Вер-

хняя ча' ным со

зазоре*

ота г

' ;1Ь-

■ш

на

Рис, 1. Экспериментальная установка

тягах, прикрепленных к корпусу привода 7, В толще стенок насадка б расположен канал, который соединяет камеру сгорания и гнездо для датчика давления в, находящегося за пределами камеры сгорания. На внутреннем конце насадка, находящегося в камере сгорания, закреплено инициирующее устройство 9. Через газовод 10 насадок 6сообщается с устройством для регулирования давления и подачи гасящей жидкости 2,

С целью проведения экспериментов по определению влияния перегрузок, направленных от поверхности образца, на параметры горения порохов и других конденсированных веществ, уменьшения влияния раскаленных минеральных частиц на формирование поверхности горения, а также сокращение времен и выхода давления на стационарный режим в нижней части камеры сгорания размещались вкладные обоймы 11, 12. На внешнюю часть кольцевой обоймы 12 навинчивается полый металлический цилиндр 13. в котором размещается инициатор 14.

Бе 13 конденсированные частицы вос-

плам< под действием массовых сил разле-

таются л арпОиидаются к стенкам камеры сгорания, увеличивая поверхность контакта с металлом. Повышение теплоотвода в стенки приводит к задержкам воспламенения и увеличению степени недого-рания зерен воспламенителя. При этом параметры горения воспламенителя оказываются в большой зависимости от температуры окружающей среды, скорости вращения камеры сгорания, количества, дисперсности и материала зерен воспламенителя и других внешних условий.

Наличие полого цилиндра 13 позволяет в условиях перегрузок сосредоточить воспламенитель в небольшом объеме и уменьшить тем самым поверхность его контакта с металлом. При сгорании инициатора процесс осуществляется более полно и интенсивно, Время выхода на режим сокращается до

0.03 с, В этих условиях зависимость от скорости вращения, температуры и прочих внешних факторов сводится к минимуму, а воспроизводимость и устойчивость процесса сгорания инициатора повышаются. Горящие конденсированные частицы сдерживаются центробежными силами в цилиндре 13, и в камеру поступают в основном газообразные продукты реакций.

Поджигание образцов высокотемпературным газовым потоком, сокращение времени горения воспламенителя оказывают положительное влияние на одновременность зажигания образцов, а следовательно, и точность определения скорости горения методом групповых испытаний. Твердые конденсированные остатки сгоревшего воспламенители остаются в цилиндре 13, не влияя на формирование поверхности горения и кинетику реакций, что позволяет верно оценить механизм горения конденсированных веществ при перегрузках.

Для экспериментов используются цилиндрические прутки топлива диаметром до 15 мм и длиной до 40 мм, бронированные по боковой поверхности и одному торцу. Максимальное количество образцов, размещаемых в камере на пяти уровнях (расстояния от оси вращения - 80, 130, 150, 170, 210 мм), равно 130. Два уровня (80 и 130 мм) образуют вкладные обоймы и предназначены для изучения влияния отрицательных ускорений на процесс горения. Диапазон подучаемых перегрузок от -1300 до -2100 g при частоте вращения камеры - 3 000 об/мин.

Скорость горения 1-го образца определяется из соотношения

и, = (!„-{'.уі, (I)

гае и - скорость горения /-го образца; /А, !,, - начальная (до опыта) и конечная (после опыта) длины

1-го образца (/ = 1,2, п) соответственно (здесь и -количество образцов, закладываемых в камеру сго-

- время горения, опреде-

3,о,д.д„,^„,, о„,г,гасятся практически од-

новременно, время горения / является одинаковым для всех образцов. Скорость горения ставится в соответствие среднему давлению определяемому из осциллограммы р(1) к среднему значению пере-

'От ■■ Р - ускоре-

ние свободного падения (м/с-): Я . 11. - начальное и

' " !:Т о/

конечное расстояния между центром вращения поверхности трения образцов нар-н ступени соответственно (м).

При величине СГОреРН'ео-} СНО-1Я 1 «м с^еднеквад-ратическая ошибка, обу феменно-

стью воспламенения, » . с. , %. В эту

ошибку входит также роЗирОС 110 СОлЗП горения, связанный с неоднородностью мае меа.

Для оценки возникающего по | перепада

давления было проанализировано не

ар(р) = ^ р)

где а - гмн - ускорение, получаемое порцией объема газа при вращении с угловой скоростью гг на расстоянии г от центра вращения; р(/р - удельный вес газа: р - давление на расстоянии г от оси вращения.

Интегрируя исходное уравнение и принимая обозначение

К = АСЦИТ), (4)

где А - скорость звука по газу, Т- температура газа, Р,} - давление в центре вращающегося объема, имеем

Р (Каг)

= ехр|— . (5)

‘о \ Г

Для холодного газа, принимая г = 210 мм, а = 2 х х 104 м/с2, Т = 293 К, Л = 330 м/с, /с = 1,36, имеем * 1/025, Таким образом, ошибка в определении величины давления, обусловленная вращением объема газа, не превышает 0.25 %. Для горячих газов (У = 2 500 К) перепад давления составляет не более 0,2 %.

Что касается изменения ускорения, действующего на поверхность горения по мере уменьшения начальной длины образцов, то оно не превышает 10 % первоначального значения перегрузки при величине сгоревшего свода 2,5 мм в условиях постоянной частоты врашения образцов. Однако этот рост перегрузок можно компенсировать уменьшением частоты вращения камеры сгорания. Так, при отключении двигателя электропривода отклонение перегрузки от среднего значения за время горения образца 1-3 с, при сгоревшем своде 1 мм, не превышает 2,5 % (К,, = 0.2 м).

Отсутствие скользящих контактов, неподвижное расположение датчика давления, возмо г-

невия соплового зазора делают устаної >й

и простой в эксплуатации. Представлеї- л-

ментальная установка позволяет за оді- іе

получить зависимость скорости гореии: з-

ки одновременно для нескольких составов.

Результаты экспериментов

Испытания проводились при давлении 4 МПа и перегрузках, направленных перпендикулярно к поверхности горения вглубь топлива, до 2 800 у на мо-

а

дельных составах типа с минеральными добавками катализаторов. Состав С-1 содержал 1% окиси магния (М^О), а состав С-2 содержал 2% окиси свинца (ПО) и 0.5 % окиси кобальта (Со,О,). Использовались цилиндрические образцы 0 15 мм и длиной до 40 мм, бронированные эпоксидным компаундом по боковой поверхности и одному торцу. После гашения исследовалась поверхность погашенных образцов и по величине сгоревшего свода определялась скорость горения.

После гашения поверхность образцов испытываемых составов имела вид относительно ровной площадки. Образцы, содержащие Л%0 (С-1), были покрыты плавными выемками 0 до 5 мм и глубиной до 3 мм (рис, 2, а). На поверхности образцов, содержащих окись свинца и окись кобальта (С-2), наблюдались кратеры 0 0.4-1 мм и глубиной 0,2ч),8 мм (рис. 2, б). В отдельных местах видны были небольшие сажистые наросты неправильной формы размером до 2 мм и высотой до 1.5 мм. Некоторые наросты имели пористую бархатистую структуру и более темный цвет Другие наросты были гладкими, слегка блестели, как окалина, и имели вид колпачков.

В центральной части таких колпачков и на линии касания колпачка с поверхностью видны были небольшие отверстия диаметром около 0,5 мм. Эти сажистые каркасы слабо держались на поверхности и легко смывались струей воды. После просушки ■ ' .. ■. г .

лись отверстия 0 2-0.5 мм, ведущие вглубь топлива (рис. 2, (2).

б

Рис 2, Вид поверхности горения образцов после гашения: а-С-1; б-С-2

При дальнейшем исследовании погашенных образцов С-2 оказалось, что отверстия имеют извилистую форму; иногда они более широки в местах поворота, но в целом сохраняют свои размеры по всей длине. Общее направление отверстий совпадало с направлением действия массовой силы. Некоторые отверстия были глухие, глубиной 2 мм и более, а некоторые имели выход на противоположном конце образца (рис. 3).

В экспериментах время горения варьировалось таким образом, что длина оставшейся части образца менялась от 5 до 30 мм. Было замечено, что с увеличением времени горения количество глубоких (более 5 мм) отверстий увеличивалось. На подложке» в случае сквозных отверстий, и на дне глухих иногда обнаруживался кусочек пористого желтого шлака, канал же был гладким и свободным от шлака.

Были проведены опыты по выявлению критических значений перегрузок, при которых возникают отверстия. При этом оказалось, что глухие отверстия глубиной до 3-4 мм появляются уже при небольших перегрузках - 200-300 g. С ростом ускорений длина отверстий резко возрастает, и при перегрузках 400 § отверстия становятся сквозными (при длине оставшейся части образца 30 мм). Диаметр отверстий заметно не зависит от величины действующей перегрузки. Не обнаружено также существенного влияния давления в диапазоне 2—15 МПа на характер возникновения в параметры отверстий при разных уровнях перегрузок.

Эксперименты при атмосферном давлении и в отсутствие перегрузок показывают, что горение состава С-2 проходит интенсивно и равномерно по всей поверхности с выделением большого числа вылетающих конденсированных частиц. Размер час-

а

тиц 0.5-2.0 мм, а светимость их сравнима и даже выше яркости пламени. Скорость вылета частиц -

2-3 м/с, видимая длина траектории - порядка 3.5 мм. При этом темная зона составляет 2-3 мм, а толщина конденсированного слоя - 0.5 мм.

Учитывая, что в состав топлива С-2 входит микродобавка (2 весовых процента) сильного катализатора окиси свинца, можно предположить следующий механизм образования отверстий. В процессе горения свинец восстанавливается из окиси и в условиях перегрузок формирует отверстия по тепловому механизму. Не исключен также вариант каталитической природы образования каналов за счет взаимодействия окиси свинца или возникающей связки окиси свинца с углеродом РЬО + С (являющейся еше более сильным катализатором) с компонентами массы топлива.

С целью проверки этих предположений был поставлен ряд экспериментов по выяснению влияния добавок РЬ, РЬО и РЬО ~ С на формирование поверхности горения. Опыты проводились на образцах 0 14 мм и длиной 35 мм. Боковая повер торец образцов бронировались эпоксид дом. На свободную торцевую поверхнсх,„ г„„,' ным слоем наносилась конденсированная добаь ■ з РЬО или РЬО -г С (соотношение смеси РЬО ~ > т лось наиболее эффективное, т.е. 2:1). Для более равномерного воспламенения образца сверху наклеивалась таблетка пороха толщиной 5 мм. Рабочее давление в экспериментах было 2 и 6 МПа, а перегрузки до 2 800 §. Результаты экспериментов показывают, что во всех случаях конденсированные добавки формируют на поверхности горения раковины и прогары разной гаубины и формах однако сквозных не-разгоревшихся каналов не наблюдалось.

б

Рис. 3, Входные отверстия (а) и разрез образца (С-2) вдоль отверстий (б)

Для выяснения вида конденсированных частиц, ответственных за образование каналов и формирование поверхности горения, были проведены исследования составов твердой фракции продуктов сгорания методом качественного рентгенофазового анализа [3]. На приведенной рентгенограмме для шлаков состава С-2 (рис. 4) четко просматриваются пики, соответствующие металлическому кобальту.

С целью подтверждения данных рентгенофазового анализа были проведены дополнительные исследования конденсированных продуктов сгорания состава С-2 на растровом электронном микроскопе РЭМ-200 и микроанализаторе «Комебакс».

Наличие в порошках темных и светлых частиц разного размера (рис. 5, а) указывает на наличие в составе продуктов сгорания разнородных компонентов. При увеличении в 375 раз (рис. 5, б) можно рассмотреть структуру частиц. Светлая частица имеет вид сплавленного металлического монолита с острыми кристадлнчес^ч'ми тпоэпвяняоии ПО риегпыей поверхности. Темна сажистый каркас, о ми блестящими капельками.

Исследование порошка на микроанализаторе «Ко-мебакс» с высокой степень» достоверности показало наличие в порошке большой концентрации косая лга модификации р-Со.

Следующий ряд фотографий (рис. 6) удалось получить. осуществляя гашение образцов при значениях перегрузок около 400 у. Разрез образцов вдоль начинающих образовываться каналов показал наличие на дне углублений металлических частиц. Хорошо видна начальная стадия -

а

У

54 50 46 42 38

Рис, 4. Р- ■■■■■■" ■ ; . . . . ,

ла на пове! кадр пока: керазгора! яомератиз

ка диаметр

■■■■■

званная фаза в продуктах сгорания состава С-2

— 29 —

а б

|

Рис. 6. Начальные стадии формирования отверстий

Физическая картина формирования поверхности горении и образования «разгорающихся отверстий

Известно, что окись сеянца в присутствии кислорода, карбида кальция, углерода, окиси углерода при высокой температуре может восстанавливатьсь до металлического свинца. Однако свинец при температуре

горения не только плавится (температура плавления 327,4 °С), но и кипит (температура кипения I 747 °С),

Окись кобальта (Сор,,) разлагается уже при температуре 886 °С. При этом в присутствии углерода Сор. восстанавливается, видимо, до Сор, и по реакции 2Сорр 4С = 6-С'о ^ 7СХр восстанавливается до металлического кобальта. Высока* температура, сопровождающая горение, способствует восстановлению модификации кобальта р-Со, Существенно, что металлический кобальт имеет высокие температуры плавления и кипения - I 492 и 2 960 °С соответственно. Отметим, что температура горения состава С-2 около 2 072 °С, т.е. при этой температуре кобальт плавится и может агломерировать.

В отсутствие перегрузок восстановленный металл практически не оказывает заметного влияния на формирование поверхности и на процесс горения топлива, образовавшиеся частицы уносятся оттекающим потоком в газовую фазу и дальше от поверхности горения. Единственное, что можно отметить, это то, что указанные добавки в форме МеО если и оказывают каталитическое воздействие на процесс горения, то только в низкотемпературной зоне, т.е. на начальной стадии разложения порохов,

В условиях перегрузок образовавшиеся тяжелые частицы удерживаются у поверхности горения. Та-

ким образом, гомогенные топлива с добавками можно рассматривать как металлизированные составы с малым процентным содержанием металла.

В условиях горения при температурах порядка ! 800-2 5 00 °С восстановленные частицы свинца не только плавятся, но и кипят, довольно быстро испаряясь. чему способствует также дробление и унос капель оттекающим потоком.

Кобальт плавится, но ні. ■■■■.■ .■■ ■■ " . с ■ ние его происходит менее интенсивно. Расплавленные высокотемперо ■■. .'. .О ■ - ' ■■.■■■■.

агломерировать и, ,

ра, вдавливаться пе в поверхность топлива. За счет высоко _ -уры и повышенного

локального давления под агломератом происходит газификация материала топлива под частицей. Поскольку газовая прослойка под частицей мала, образующийся газ не успевает полностью прореагировать, создав высокотемпературную зону реакций. Обходя частицу, газы резко расширяются в образующемся канале, охлаждаясь и как бы «замораживая» процесс горения на стадии продуктов полураспада. Таким образом, воспламенения стенок каналов не происходит, а постоянно вытекающий из канала холодный газ препятствует проскоку пламени в канал.

Судя по тому, что диаметр канала и величина агломерата изменяются по мере продвижения вглубь, можно предположить зависимость их от степени однородности топлива. Очевидно, при движении агломерата имеют место два противоположных процесса: рост агломерата за счет присоединения новых частиц и унос потоком газа разбившихся и частично вновь образовавшихся на сажистом каркасе мелких капель. В целом, при. соответствующей концентра-

S. S. Bondarchuk, O.A. Kondratova, Gasdynamic Analysis of the Airbag Gas Generator with a Porous.

ции и дисперсности металлообразующего вещества, а также однородности распределения его по объему, движение агломерата вглубь топлива может происходить квазистационарно.

Окись магния /ЩО очень устойчивый окисел, с температурами плавления и кипения выше температур горения пороха. Восстановление его, например углеродом, в атмосфере воздуха возможно при температуре 2 013 °С, но поскольку чистый магний очень активный металл, возможно, что в процессе горения он восстанавливается с последующим окислением при охлаждении.

Таким образом, экспериментальные исследования доказывают справедливость предложенной физической модели образования сквозных отверстий в топливе С-2 при сгорании его в поле массовых сил.

Выводы

1. Обнаружено, что при горении пороха С-2 в условиях перегрузок более 400 % формируются нераз-

горающиеся каналы 0 0.5-1 мм, вытянутые по направлению действия вектора ускорения.

2. Использование метода качественного рентгенофазового анализа конденсированных продуктов сгорания показало, что при сжигании порохов происходит восстановление окислов, входящих в состав топлива элементов.

3. Показано, что по теплофизическим и химическим свойствам ответственными за образование отверстий могут быть восстановленные до металлического состояния частицы р-Со. Наличие р-Со в продуктах сгорания подтверждено другими методами.

4. Фотосъемка разрезанных вдоль образовавшихся каналов образцов, погашенных в разные промежутки времени, наглядно показала процесс формирования и развития неразгорающихся отверстий.

5. Предложена физическая картина явления, объясняющая эффект беспламенного проникновения под действием перегрузок агломератов Р-Со вглубь образца исходя из физических свойств частиц и разницы давлений в пространстве под и над частицей.

Литература

1. Максимов Ю.М. и др. Влияние перегрузки на горение модельных смесевых металлизированных составов /,/ Физика горения и взрыва. 1974, Т, 10. N8 8.

2. Барсуков В.Д., Третьяков Н.С. Экспериментальные установки для исследования скорости горения конденсированных веществ в поле массовых сил // Докл. Всероо. науч. конф, «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики». Томск, 1998,

3. Третьяков Н.С, Анализ продуктов горения гомогенных топлив // Изв. Томского политехи, ун-та. 2002, Т. 305. Вып. 2.