CC BY
33
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2021. No.4
Научная статья
УДК 551.576.001.57
doi: 10.18522/1026-2237-2021-4-69-73
ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЛЬДООБРАЗУЮЩИХ СРЕДСТВ АКТИВНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ В РЕАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ ПРИМЕНЕНИЯ
Алексей Геннадьевич Шилин
НПО «Тайфун», Обнинск, Россия [email protected]
Аннотация. Статья посвящена исследованию процессов функционирования пиротехнических генераторов льдообразующего аэрозоля в условиях, максимально приближенных к условиям реального воздействия. Изучено влияние внешнего давления на работу пиротехнического генератора в габаритах патрона ПВ-26, снаряженного составом по патенту РФ № 2551343 (содержит 15 % активного реагента), в условиях функционирования до давления 267 мм рт.ст. (соответствует предельной высоте применения генераторов данного типа - 8 км). Эксперименты проводились в термобарокамерах ФГБУ «НПО «Тайфун». В результате определена зависимость скорости горения пиротехнической композиции, изменение содержания активных льдообразующих реагентов, спектральные характеристики образованного аэрозоля от внешнего давления. В качестве предельного случая отмечается значительная вероятность затухания пиротехнической композиции при использовании патронов ПВ-26 при давлении менее 405 мм рт.ст. (соответствует высоте 5 км).
Ключевые слова: льдообразующий аэрозоль, льдообразующие реагенты, активные воздействия, противо-градовые средства
Для цитирования: Шилин А.Г. Исследование функционирования льдообразующих средств активных воздействий в реальных условиях применения // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2021. № 4. С. 69-73.
Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Original article
RESEARCH OF FUNCTIONING OF ICE-FORMING MEANS OF ACTIVE IMPACT IN REAL CONDITIONS OF APPLICATION
Alexey G. Shilin
Research and Production Association "Typhoon", Obninsk, Russia [email protected]
Abstract. The article is devoted to the study of the processes of functioning of pyrotechnic generators of ice-forming aerosol under conditions as close as possible to the conditions of real cloud-seeding operations. The influence of external pressure on the functioning of a pyrotechnic generator in the dimensions of a PV-26 ejectable flare equipped with a composition according to RU patent No. 2551343 (containing 15 % of an active reagent) under conditions a pressure to 267 mm Hg (corresponds to the maximum height of the use of generators of this type - 8 km). The experiments were carried out in thermal vacuum chambers of the RPA "Typhoon". As a result of the experiments were determined the dependences of the burning rate of the pyrotechnic composition, the change in the content of active ice-forming reagents, and the spectral characteristics of the generated aerosol on external pressure. As a extreme case, there is a significant probability of a stop burning of the pyrotechnic composition when using PV-26 ejectable flare at pressures less than 405 mm Hg (corresponds to an altitude of 5 km).
Keywords: ice-forming aerosol, ice-forming reagents, active influences, anti-hail agents
© Шилин А.Г., 2021
ISSN 1026-2237 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН. ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ._2021. № 4
ISSN 1026-2237 BULLETIN OFHIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2021. No.4
For citation: Shilin A.G. Research of Functioning of Ice-Forming Means of Active Impact in Real Conditions of Application. Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Région. Natural Science. 2021;(4):69-73. (In Russ.).
This is an open access article distributed under the terms of Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC-BY4.0).
Введение
В работе рассматриваются процессы генерации льдообразующего аэрозоля при горении пиротехнического состава, содержащего 15 % льдообразующего реагента (патент РФ № 2551343) [1], которым снаряжается стандартный генератор аэрозоля в корпусе патрона ПВ-26 без диафрагмирования горящей поверхности. Вес пиросостава 33 г, массовый расход 1±0,2 г/с. Штатные нормативы применения патрона: высота до 8 км (давление до 267 мм рт. ст.), температура до -37 °С, установившаяся скорость падения 60 м/с. Поскольку в результате сгорания исследуемого пиротехнического состава в газовую фазу переходит от 83 до 86 % от исходной массы пиротехнической смеси, процесс горения в значительной степени определяется внешним давлением, так как при понижении давления:
- расширяющаяся зона горения уменьшает тепловой поток, направленный на прогрев следующей порции пиросостава;
- большее количество энергии отводится образующейся газовой фазой.
Например, горение дымного пороха, при котором в газовую фазу переходит 61 % исходной массы состава, замедляется с высотой, а при давлении 350 мм рт. ст (соответствует высоте 6,5 км) вероятность затухания пиротехнического заряда приближается к 100 % [2].
Столь значительное изменение параметров горения пиротехнической рецептуры позволяет предположить кардинальные изменения как в химическом составе, так и в структуре льдообразую-щего аэрозоля, образуемого пиротехническим генератором. Также следует отметить невозможность учета этих процессов при проведении наземных испытаний генераторов в условиях испытательной лаборатории.
Оборудование и методика проведения экспериментов
Эксперименты проводились в здании специализированного комплекса модельных установок для геофизических исследований ФГБУ «НПО «Тайфун». Использовалось следующее оборудование: стенд на базе горизонтальной аэродинамической трубы, сопряжённый с камерами переохлаждённого тумана, термобарокамеры объёмом 100 и 0,5 м3. Оборудование позволяет исследовать полноразмерные генераторы льдообразующего аэрозоля в ситуации моделирования их движения в целевой среде при давлении до 120 мм рт. ст. (соответствует высоте 10 км) и скорости движения до 100 м/c. В процессе исследований определялась как льдообразующая активность образованного аэрозоля, так и его спектр посредством электростатического классификатора аэрозолей TSI 3080.
Испытания пиротехнических составов в термобарокамере
Результаты измерения зависимости скорости горения льдообразующей пиротехнической композиции от внешнего давления проводились в термобарокамере объемом 0,5 м3 для образцов диаметром 8 мм и приведены в табл. 1. С достоверностью аппроксимации 0,9975 эта зависимость может быть описана следующим соотношением: v = —0,00004Р2 + 0,0062Р — 1,523.
Поскольку испытания полноразмерных генераторов в большой термобарокамере при отрицательной температуре сопряжены со значительным загрязнением оборудования, исследовался только сам факт воспламенения генератора на предельной высоте применения в момент срабатывания заряда, отстреливающего генератор. В условиях, соответствующих предельным при применении патронов ПВ-26 (давление 267 мм рт. ст, температура -38 °С), происходит до 10-30 % отказов в воспламенении патрона с открытой поверхностью заряда.
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2021. No.4
Таблица 1 / Table 1
Скорость горения пиротехнической рецептуры патента РФ № 2551343, мм/с, в зависимости от давления среды и процент затухших образцов / Burning speed of the pyrotechnic composition of the patent No. 2551343, mm/s, depending on the pressure and the percentage of the stop burning samples
№ Давление, мм рт.ст. / Высота, км
760/0 596/2 462/4 405/5 345/6 308/7 267/8
1 0,824 0,714 Затухание 0,338 - - -
2 0,848 0,681 0,449 - - - -
3 0,838 0,763 0,453 0,357 0,128 - -
4 0,814 0,712 0,455 - - - -
5 0,817 0,698 0,469 0,371 - - -
6 0,813 0,717 0,485 - - - -
Среднее 0,8256 0,7142 0,4622 0,3553 0,128 - -
% 0 0 16,7 50 83,3 100 100
Изменение количества активных соединений серебра при понижении давления
Изменение термодинамических условий горения состава с высотой приводит к уменьшению скорости горения заряда более чем в два раза с одновременным понижением температуры горения, что в значительной степени изменяет количество активных йодопроизводных серебра, переходящих в фазу аэрозоля без разложения. Расчеты, проведенные с использованием программного комплекса «Астра-4» [3], показывают снижение содержания йодистого серебра в паровой фазе примерно на 40 %, снижение температуры горения на 50 °С и трехкратное увеличение объема газовой фазы (табл. 2). Последнее обстоятельство также косвенным образом влияет на свойства образованного аэрозоля, поскольку больший объем газовой фазы при сравнимых прочих условиях приводит к большей скорости выхода газового потока, быстрому процессу конденсации, и способствует сдвигу спектра аэрозоля в сторону более малого размера частиц и уменьшению льдообразующей активности [4].
Таблица 2 / Table 2
Расчетные параметры горения 1 кг рецептуры патента РФ № 2551343 при давлениях от 1до 0,3 атмосферы и температуре 273 К / The calculated parameters of combustion of 1 kg of pyro-mixture of the patent No. 2551343 at pressures from 1 to 0.3 atmospheres and a temperature of 273 K
Давление, атм Высота, км Температура, К % AgJ в паре Объем газовой фазы, л
1 0 1860 47,9 6 554,290
0,9 0,9 1857 46,3 7 270,790
0,8 1,9 1854 44,5 8 166,430
0,7 3,0 1851 42,6 9 317,960
0,6 4,3 1847 40,3 10 847,460
0,5 5,8 1843 37,6 12 988,760
0,4 7,7 1837 34,3 16 183,100
0,3 10,1 1831 30,2 21 506,980
Данные по зависимости параметров горения пиротехнических смесей от внешнего давления относятся к генераторам с открытой поверхностью или к ситуации, когда коэффициент диафрагмирования (отношение площади горящей поверхности пиросостава к площади критического сечения сопла) не позволяет рассматривать условия горения внутри корпуса генератора вне зависимости от внешнего давления.
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2021. No.4
Спектральные характеристики аэрозоля, образованного на реальных высотах
и температурах применения
В связи с нерешенными в настоящее время трудностями измерения льдообразующей активности аэрозоля в условиях пониженного давления, на данный момент возможно получение только косвенной информации, основанной на измерениях спектра аэрозоля, образующегося при работе генератора в этих условиях. Эксперименты проводились с использованием микронавески пиросостава 100 мг в термобарокамере объемом 100 м3. Для измерения спектров аэрозоля в области размеров выше 300 нм при пониженных давлении и температуре использовался анализатор аэрозоля телевизионный «ПОТОК-М» [5]. Результаты измерения спектров представлены на рисунке.
Как следует из приведенной информации, даже при давлении 560 мм рт. ст. (что соответствует высоте около 3 000 м) имеет место уменьшение содержания крупных частиц в спектре. Так как спектр аэрозоля, генерируемого патроном ПВ-26 при нормальных условиях и обдуве со скоростью 60 м/с, характеризуется модальным размером в диапазоне от 50 до 60 нм (в диаметре), возможно ожидать сдвиг спектра в зону меньших размеров при срабатывании патрона на реальной высоте применения. При этом, как следует из [4], размер аэрозоля 30 нм в диаметре является критическим для образования зародышей льда в целевой области воздействия.
Следует отметить несколько дополнительных факторов, позволяющих сделать вывод об изменении льдообразующей активности аэрозоля пиротехнического генератора, работающего в реальных условиях полета:
- увеличение объема газовой фазы приводит к увеличению скорости истечения газовой струи из генератора, что ведет к более быстрому охлаждению и сдвигу спектра аэрозоля в область меньших размеров;
- понижение температуры воздуха на реальных высотах применения дополнительно ускоряет процесс конденсации и способствует появлению частиц меньшего размера.
Если учесть снижение содержания йодистого серебра в продуктах горения пиросостава (табл. 2), следует сделать вывод о значительном снижении льдообразующей активности аэрозоля, образованного в реальных условиях воздействия.
Диаметр, нм
Спектры льдообразующего аэрозоля при горении в нормальных условиях и при давлении 560 мм рт. ст. / Spectra of ice-forming aerosol during combustion under normal conditions and at a pressure of 560 mm Hg
Выводы
Эффективность генераторов льдообразующего аэрозоля в реальных условиях применения может значительно отличаться от получаемой во время наземных испытаний. В качестве предельного случая следует упомянуть некоторую вероятность затухания генератора, отстреливаемого с борта самолета на предельной высоте применения. Поскольку в большинстве случаев затухание генератора происходит через 2-3 с после отстрела, данный процесс не может быть обнаружен наблюдателем, находящимся на самолете. Таким образом, при разработке пиротехнических генераторов льдообразующего аэрозоля следует учитывать следующее:
1. Необходимость проверки срабатывания генераторов в термобарокамерах в условиях, соответствующих как по давлению, так и по температуре предельной высоте применения.
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2021. No.4
2. По возможности проводить тестовые испытания генераторов льдообразующего аэрозоля с использованием аэродинамических стендов при скорости потока, максимально соответствующей реальной скорости движения генераторов.
Список источников
1. Савченко А.В., Шилин А.Г., Иванов В.Н., Федоренко А.И. Пиротехнический состав для активного воздействия на переохлажденные облака и туманы. Патент RU 2 551 343 C1 от 26.11.2013.
2. Шиллинг Н.А. Курс дымных порохов. М.: Оборонгиз, 1940. 280 с.
3. Трусов Б.Г. Моделирование химических и фазовых равновесий при высоких температурах (АСТРА.4/рс). М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1994. 50 с.
4. Marcolli C., Nagare B., Welti A., Lohmann U. Ice nucleation efficiency of Agl: review and new insights // At-mos. Chem. Phys. 2016. Vol. 16. Р. 8915-8937.
5. Яскевич Г.Ф. Технические средства мониторинга природной среды и автоматизации научного эксперимента // Альманах научн. тр. к 60-летию НПО «Тайфун» / под ред. В.М. Шершакова, А.Ф. Нерушева. М.: Ин-формполиграф, 2018. С. 139-158.
References
1. Savchenko A.V., Shilin A.G., Ivanov V.N., Fedorenko A.I. Pyrotechnic composition for active influence on supercooled clouds and fogs. Certificate, No. RU 2 551 343 C1, 26th November 2013. (In Russ.).
2. Shilling N.A. Black Powder Course. Moscow: Oborongiz Publ.; 1940. 280 p. (In Russ.).
3. Trusov B.G. Simulation of chemical and phase equilibria at high temperatures (ASTRA.4/pc). Moscow: Bauman Moscow State Technical University Press; 1994. 50 p. (In Russ.).
4. Marcolli C., Nagare B., Welti A., Lohmann U. Ice nucleation efficiency of AgI: review and new insights. Atmos. Chem. Phys. 2016;16:8915-8937.
5. Yaskevich G.F. Technical means for monitoring the natural environment and automating a scientific experiment. Almanac of scientific works dedicated to the 60th anniversary of NPO "Typhoon ". V.M. Shershakov, A.F. Nerushev, eds. Moscow: Informpoligraf Publ.; 2018:139-158. (In Russ.).
Информация об авторе
Шилин А.Г. - кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник. Information about the author
Shilin A.G. - Candidate of Science (Physics and Mathematics), Leading Researcher.
Статья поступила в редакцию 03.09.2021; одобрена после рецензирования 20.09.2021; принята к публикации 26.11.2021. The article was submitted 03.09.2021; approved after reviewing 20.09.2021; accepted for publication 26.11.2021.
