CC BY
25
УДК 662.311.11
Бажанов Д.А, Гулаков М.Ю., Соколов В.В., Денисюк А.П.
ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА НА ОСНОВЕ НИТРАТА АММОНИЯ
Гулаков М.Ю., аспирант, ведущий инженер кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений e-mail: gulakovmu@muctr.ru;
Денисюк А.П., д.т.н., профессор, зав. кафедрой химии и технологии высокомолекулярных соединений. Соколов В.В., учебный мастер кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений. Бажанов Д.А., студент 5 курса кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений. Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, Россия, 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Исследовано влияние катализаторов как в индивидуальном виде, так и в сочетании с углеродными нанотрубками и сажей, на скорость горения баллиститного топлива с высоким содержанием (70%) нитрата аммония. Показано, что катализаторы эффективнее действуют совместно с углеродными нанотрубками, чем с сажей. Исследовано влияние содержания компонентов комбинированных катализаторов на эффективность их действия. Найдены оптимальные соотношениями между компонентами комбинированных катализаторов. Показано, что эффективность действия катализаторов с УНТ, выше, чем с сажей и зависит от соотношения. Ключевые слова: скорость горения, углеродные нанотрубки, катализаторы горения
STUDY OF BEHAVIOR OF COMBUSTION OF AMMONIUM NITRATE BASED PROPELLANT
Baganov D.A., Gulakov M.Yu., Sokolov V.V., Denisuk A.P.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The effect of catalysts both individually and in combination with carbon nanotubes and soot on the burning rate of double-base propellants with a high content (70%) of ammonium nitrate was studied. It has been shown that catalysts act more effectively in conjunction with carbon nanotubes than with soot. The effect of the content of the components of combined catalysts on the effectiveness of their action is investigated. The optimal ratios between the components of the combined catalysts are found. It was shown that the effectiveness of the catalysts with CNTs is higher than with soot and depends on the ratio. Key words: burning rate, carbon nanotubes, burning rate catalysts
Пороха и твердые ракетные топлива, используемые в мирных целях, например, в газогенераторах, должны соответствовать ряду требований: быть безопасными в обращении и иметь низкую стоимость, не иметь в составе продуктов горения твердых остатков, экологически опасных и взрывоопасных газов (CO, HCl и др.), устойчиво гореть при относительно низком давлении с различной скоростью. Этим требованиям могут отвечать топлива баллиститного типа с высоким (до ~ 70%) содержанием нитрата аммония (НА). Они имеют достаточно высокие энергетические характеристики, и регулируемую скорость горения с помощью комбинированных катализаторов горения (карбонат никеля, бихромат калия и сажа). В [3, 4] показано, что для баллиститных топлив без НА катализаторы в сочетании углеродными нанотрубками (УНТ) более эффективны, чем с сажей. Поэтому представлялось важным в практическом и научном плане изучить влияние катализаторов горения в сочетании с УНТ на закономерности горения топлива с НА. Это и явилось целью работы.
В качестве баллиститного топлива, в которое вводили НА, был выбран низкокалорийный состав, имеющий высокое (1,8/1) соотношение пластификатора к нитроцеллюлозе, что позволило вводить в топливо большое количество НА. В
качестве пластификатора использовалась смесь динитрат диэтиленгликоля с динитротолуолом и дибутилфталатом. Соотношение НА к баллиститной основе-связующему - 70:30. В качестве катализаторов были использовались салицилат никеля (СН) и бихромат калия (БХК), а также углеродные нанотрубки марки Таунит-М(Т-М). Для обеспечения высоких технологических характеристик в топливо вводилось 1,5% политетрафторэтилена (ф-4) сверх 100%. Образцы изготавливались следующим образом. В подсушенную пороховую массу вводились НА и катализаторы и после ее вальцевания, методом проходного прессования получали заряды. Скорость горения составов определялась методом угловых точек в приборе постоянного давления на образцах диаметром 6 мм и высотой 15 мм в атмосфере азота. Точность определения данного метода ± 2%. Эффективность действия катализатора оценивались величиной 2=ик/и0, где ик/и0 -отношение скоростей горения катализированного состава к некатализированному, и влиянием на параметр V в зависимости и(Р).
В первой серии опытов исследовано влияние катализаторов на скорость горения топлив в индивидуальном виде и совместно с углеродными нанотрубками. Результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1. Параметры горения составов с различными катализаторами
Катализатор Закон горения и=Вр" (в диапазоне давления АР, МПа) и2, мм/с Ъг И18, мм/с ^18
В V АР, МПа
Без добавок 0,96 0,83 2-20 1,7 - 10,6 -
3% СН 1,09 0,83 2-20 1,9 1,1 12,0 1,1
3% БХК 1,2 0,78 2-20 2,1 1,2 11,4 1,1
3% Т-М 1,97 0,72 2-20 3,2 1,9 15,8 1,5
2% БХК + 1% Т-М 2,52 0,73 2-14 4,2 2,4 18,7 1,8
7,62 0,31 14-20
1,5% БХК + 1,5% Т-М 3,20 0,68 2-13 5,0 2,9 21,0 2,0
5,26 0,48 13-20
1% БХК + 2% Т-М 2,99 0,71 2-20 4,9 2,9 23,3 2,2
1,5% СН + 3% Т-М 1,74 0,79 2-20 3,0 1,8 17,1 1,6
2,25% СН + 2,25% Т-М 1,62 0,84 2-20 2,9 1,7 18,4 1,7
3% СН + 1,5% Т-М 1,95 0,88 2-7 3,6 2,1 19,5 1,8
Как видно из таблицы 1, в индивидуальном виде катализаторы СН и БХК слабо (~ 10%) влияют на скорость горения топлива. Однако, Таунит-М увеличил скорость горения в 1,9 и 1,5 раза при 2 и 18 МПа, соответственно. Возможно, это происходит за счет взаимодействия мелкодисперсных частиц УНТ непосредственно с расплавленным НА. Наибольшей эффективностью обладают катализаторы совместно с УНТ, особенно сочетание БХК и Т-М в соотношении 1:2. Влияние всех добавок уменьшается с ростом давления, что снижает значение V. Это важный момент, так как понижает значение V в законе И=ВР^^ обеспечивает стабильность работы ракетного двигателя и газогенератора.
Во второй серии опытов было исследовано совместное влияние бихромата калия и салицилата
и, м/с
ч ^
•
1 .
Р, М [Па
никеля, а также их сочетание с углеродными нанотрубками. Результаты представлены на рисунках 1, 2 и в таблице 2. Как видно, совместное влияние СН и БХК увеличивают скорость горения в 2 раза при 2 МПа, что незначительно больше, чем их индивидуальное влияние. Однако, при давлении до 4 МПа, происходит значительное снижение зависимости и(Р) - величины V до 0,34. Эффект значительно усиливается при добавлении в комбинированный катализатор углеродных нанотрубок: скорость горения увеличивается в 7,3 раза. Подобные эффекты крайне редко встречаются при катализе горения топлив.
Целью третьей серии опытов было сравнение влияния сажи и УНТ на скорость горения катализированных топлив.
Z
V
\
ч
и и, — _ [1
р, М Па
Рис. 1. Влияние Т-М на эффективность комбинированного катализатора: 1 - без добавок; 2 - 3% СН + 1,5% БХК; 3 - 3% СН + 1,5% БХК + 1,5% Т-М
Рис. 2. Эффективность действия «тройного» катализатора по сравнению с составами, не содержащими Т-М: 1 - 3%СН+ 1,5% БХК; 2 - 3% СН+ 1,5% БХК + 1,5% Т-М
Таблица 2. Параметры горения составов с «двойным» и «тройным» катализатором
Катализатор Закон горения и=Врг (в диапазоне давления АР, МПа) и2, мм/с и18, мм/с 218
В V АР, МПа
Без добавок 0,96 0,83 1-20 1,7 - 10,6 -
3% СН + 1,5% БХК 2,64 0,34 1-4,5 3,3 2,0 12,3 1,2
1,37 0,76 4,5-20
3% СН + 1,5% БХК + 1,5% Т-М 8,94 0,47 0,5-20 12,4 7,3 34,7 3,3
20
1 2
4
6
10
12
14
16
18
20
22
8 1
4
8 10
20
Таблица 3. Па раметры горения составов с «тройным» катализато ром
Катализатор Закон горения и=Вр" (в диапазоне давления АР, МПа) и2, мм/с Ъг И18, мм/с ^18
В V АР, МПа
Без добавок 0,96 0,83 1-20 1,7 - 10,6 -
*3% N1003 + 1,5% БХК + 1,5% С 7,09 0,45 2-18 9,7 5,7 26,0 2,5
3% N1003 + 1,5% БХК + 1,5% Т-М 7,58 0,54 1-4 11,0 6,5 23,0 2,2
10,26 0,28 4-20
3% СН + 1,5% БХК + 1,5% Т-М 8,94 0,47 0,5-20 12,4 7,3 34,7 3,3
Как видно из таблицы 3, комбинированный катализатор с сажей увеличивает скорость в 5,7 раз (Р=2МПа) и снижает параметр V почти в 2 раза, этот эффект ниже, чем у катализатора с УНТ. Однако, катализатор с нанотрубками снижает зависимость и(Р) гораздо сильнее (V =0,28) в диапазоне 4-20 МПа. Это происходит, возможно, из-за высокой теплопроводности каркасе УНТ, чем сажи, за счет чего поток тепла в к-фазу из каркаса с УНТ значительно выше, чем из каркаса из сажи.
Таким образом, полученные результаты показали, что в индивидуальном виде каталитические добавки (салицилат никеля и бихромат калия) почти не оказывают влияния на скорость горения топлива. Эффективность действия «двойного»
комбинированного катализатора зависит от соотношения между УНТ и катализаторами. Углеродные нанотрубки являются более эффективной добавкой по сравнению с сажей. Для расширения возможностей регулирования скорости горения топлив с меньшим количеством катализаторов, в дальнейшем целесообразно более детально изучить соотношение и количество катализаторов с УНТ. При этом в качестве катализаторов использовать экологически чистые
(соли железа, висмута и др.). Стоит отметить, что исследованные составы обладают приемлемыми физико-механическими, технологическими
характеристиками и могут изготавливаться по непрерывной технологии.
Список использованных источников
1. Глазкова А.П. Катализ горения взрывчатых веществ. М.: Наука, 1976. 264 с.
2. Денисюк, А.П. Использование нитрата аммония в баллиститных порохах /А.П. Денисюк, Е Зо Тве, С.В. Черных // Химическая промышленность сегодня. -2007. -№5. -С.39-43.
3. Киричко, В.А. Влияние углеродных нанотрубок на эффективность действия катализаторов горения низкокалорийного пороха /В.А. Киричко, В.А. Сизов, А.П. Денисюк //Успехи в химии и химической технологии - 2016 -Т.ХХХ.-№8 - С.29-31
4. Денисюк А. П. и др. Влияние углеродных нанотрубок на закономерности катализа горения пороха //Доклады Академии Наук. - Федеральное государственное бюджетное учреждение" Российская академия наук", 2018. - Т. 483. - №. 6. - С. 628-630.
