CC BY
84
УДК 662.311.1
Е Зо Тве, А. П. Денисюк
МЕХАНИЗМ ГОРЕНИЯ ПОРОХОВ С НИТРАТОМ АММОНИЯ
Ключевые слова: механизм горения, температурный профиль, нитроэфир, нитрат аммония.
С использованием микротермопар, видеосъемки и электронного микроскопа изучен механизм горения двух по-рохов с высоким содержанием нитрата аммония (НА), отличающихся по составу и по скорости горения. Показано, что на поверхности горения порохов формируется слой расплава НА, толщина которого зависит от состава пороха и давления, при котором происходит горение. Установлено, что горение порохов происходит по к-фазной модели, при этом для образца на основе высококалорийного пороха с 50% НА основное количество тепла для распространения горения выделяется за счет разложения пороха, а для образца на основе низкокалорийного пороха с 70% НА за счет разложения жидкого слоя НА, ускоряемого продуктами распада пороха.
Keywords: combustion mechanism, temperature distribution, nitrate ester, ammonium nitrate.
Combustion mechanism of two propellants, differing in composition and combustion rate, with high content of ammonium nitrate (AN) is studied with the aid of micro thermocouple, video recording and electron-microscope. It is shown that on the combustion surface ofpropellants molten AN layer is formed, whose thickness depends on propellant composition and pressure, in which combustion takes place. It is established that combustion of these propellants takes place according to condense-phase model, in which the majority of heat neededfor combustion propagation is released: in the case of high calorific propellant with 50% AN - by mean of base-propellant decomposition; in the case of low calorific propellant with 70% AN -by mean of decomposition of molten AN layer, accelerated by decomposition products of base-propellant.
ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛО-И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ, ЭНЕРГЕТИКА
В [1] изучено влияние нитрата аммония (НА) на скорость горения порохов различного состава и теплоты горения. Показано, что оно носит сложный характер и зависит от теплоты и скорости горения исходного пороха, количества НА в составе и от давления, при котором происходит горение пороха.
Отметим, что изучению закономерностей горения смесей НА с различными неорганическими и органическими веществами, в том числе с ВВ, посвящены многочисленные исследования, обзор которых приведен в [2], в котором также изучен температурный профиль в волне горения смеси НА с 5% KCl и смеси с 4% древесного угля и убедительно показано, что ведущая реакция горения этих смесей происходит в к-фазе.
В данной работе для выяснения механизма горения порохов с НА определены температурные профили в волне их горения, а также проанализированы поверхности погашенных образцов. Исследования проводили на двух образцах, существенно отличающихся по составу пластификаторов (нитроглицерин (НГЦ), динитрат диэтиленгликоля (ДНДЭГ), 2,4-динитротолуол (ДНТ) и дибутилфталат (ДБФ), и их соотношению с нитроцеллюлозой (НЦ)), и по количеству НА (табл. 1). Для существенного улучшения физико-механических, реологических и технологических характеристик порохов с НА в их состав вводили 11,5% комплексного модификатора - политетрафторэтилена (фторопласта Ф-4) [3].
Образцы с НА получали следующим образом: пороховую массу базового образца готовили смешением компонентов в воде, после отжима и провялки до ~10% влаги массу вальцевали при температуре ~90°С и в сформированное на первом этапе полотно порционно добавляли смесь НА с Ф-4. Ис-
ходный размер частиц НА составлял <100 мкм, а в процессе вальцевания (зазор между валками 0,10,2мм) их размер уменьшался в основном до 20-40 мкм. Далее из порохового полотна проходным прессованием получали шнуры диаметром ~7 мм.
Скорость горения определяли на бронированных образцах диаметром ~7 мм и высотой ~15 мм в приборе постоянного давления в атмосфере азота с регистрацией времени горения датчиком давления. Точность определения скорости горения ±2%.
Таблица 1 - Состав и свойства базовых порохов и порохов с НА
Компоненты, % масс. Образец
1 2
без НА с НА без НА с НА
НЦ 39,2 50 34,9 30
НГЦ 58,8 -
ДНДЭГ - 41,1
ДНТ - 14,8
ДБФ - 6,6
НА - 50 - 70
Ож, кДж/кг 5619 5699 2147 4859
Т4 МПа , К 3133 2789 1464 2473
В 3,99/2,92 2,16/1,86 0,72 0,95
V 0,64/0,82 0,74/0,85 0,84 0,81
В состав базовых порохов вводили 2-3% стабилизаторов и технологических добавок. Для образца 1 без НА на зависимости и(р) имеется излом при р = 4,2 МПа, а для образца с 70% НА при р = 5,5 МПа; Qж - теплота горения при воде жидкой
Температурный профиль при горении образцов определяли по методике [4] с помощью вольфрам-рениевых термопар толщиной ~5 мкм. При каждом давлении проводили 5-10 параллельных опытов.
Скорость горения высококалорийного образца с высоким содержанием НГЦ (Ож = 5619 кДж/кг) значительно выше скорости низкокалорийного (Ож = 2147 кДж/кг) образца 2 (например, при давлении 2 МПа в ~4,8 раза).
Влияние НА на скорость горения базовых порохов оценивали величиной 7 = иНд/ио, где иНд и и0 - скорость горения пороха с НА и без него. Введение 70% НА в состав низкокалорийного образца 2 приводит к относительно небольшому (в 1,2-1,3 раза) повышению скорости горения. В отличие от образца 2 НА даже в меньшем (50%) количестве значительно снижает скорость горения высококалорийного пороха 1 (почти в 2 раза при давлении 0,5 МПа и в 1,4 раза при более высоком давлении). Для обоих образцов при введении НА значение V в законе горения (и=ВрУ) сильно не изменяется и составляет 0,74-0,85.
Результаты электронно-микроскопических исследований сколов образцов с НА, полученных при разламывании охлажденных в жидком азоте цилиндрических зарядов, показали, что структура исследованных порохов достаточно неоднородна: основная масса частиц имеет размер от 20 до 40 мкм; частицы разделены друг от друга прослойками термопластичного пороха; встречаются и более мелкие (5-10 мкм) и более крупные частицы (50-100 мкм); в отдельных объемах наблюдается скопление частиц и их контакт между ними. Поэтому спай термопары может выходить из к-фазы в газовую зону через различные участки, отличающиеся по структуре. Это может приводить к разбросу профилей в к-фазе, что подтвердилось экспериментально.
Рис. 1 - Структура поверхности пороха 2 с 70% НА (скол)
Вначале рассмотрим результаты, полученные для образца с 50% НА на основе высококалорийного пороха.
Исходные осциллограммы температура-время (Т(т)) имеют сложный характер и некоторые особенности, наиболее отчетливо проявляющиеся при давлениях до ~6 МПа включительно. Они заключаются в том, что на начальном участке почти всех осциллограмм (рис. 2) после экспоненциального роста температуры до Т начинается участок (/т) с постоянной или слабо увеличивающейся до Т2 температурой, после которой следует её резкий рост. Подобный характер осциллограмм получен при горении смеси НА с углем [2], при горении жидких нитроэфиров, для которых этот участок имел большую протяженность (500-1000 мкм) [5]. Это происходит к результате прилипания жидкого слоя к горизонтальной части термопары при выходе её из к-фазы. Температура налипшего слоя НА, находящегося уже в газовой зоне, до полного его исчезновения не может быть выше температуры его диссоциации, а для нитроэфиров - не выше температуры их кипения. При давлении 6,18 МПа и выше указанный участок отмечается лишь на некоторых осциллограммах и его протяженность равна 3-8 мкм. Запись температуры в газовой зоне начинается лишь после полного исчезновения расплава НА со спая термопары, когда он находится на некотором расстоянии от поверхности горения. Поэтому записывается искаженный, завышенный градиент температуры. Через некоторое очень небольшое время термопара измеряет истинный градиент (ф на рис. 2), который использовали для расчета теплового баланса зон горения пороха. При таком подходе возможно определить участок на плато, образованный за счет прилипания жидкого слоя к горизонтальной части термопары при выходе ее из расплава - заштрихованный участок на рис. 2). Очевидно, он начинается с точки А, в которую приходит пунктирная линия, и заканчивается в точке В, в которой происходит полное исчезновение прилипшей к термопаре жидкости. Поэтому за температуру поверхности (Тп) принимали точку А.
Рис. 2 - Температурный профиль горения пороха 1 с 50% НА при давлении 4,34 МПа
Известно, что наибольшей трудностью при обработке исходных осциллограмм Т(т), даже полученных для индивидуальных веществ, является установление Тп, являющейся, как и энергия активации ведущей реакции, определяющим параметром в модели к-фазного горения. Особенно, как это указывается в [6], это относится к сложным смесевым
системам, когда в к-фазе происходят фазовые превращения отдельных компонентов, термическое разложение наиболее реакционно-способных соединений, взаимодействие продуктов их распада с другими компонентами с образованием пор и пузырьков, в результате чего появляется тепловая неоднородность к-фазы. Поэтому понятие о поверхности горения во многих случаях не является физически обоснованным и определение её температуры является сложной задачей. Единственным фактором, способным дать физический смысл и количественное определение поверхности являются процессы испарения и сублимации.
После определения Тп, зная скорость горения, исходную осциллограмму Т(т) перестраивали в зависимость Т(х), т.е. определяли профиль температуры в волне горения пороха. Очевидно, что при температуре Т в конце Михельсоновского слоя (I*) происходит экзотермическое разложение НЦ и НГЦ, более термически устойчивых, чем НА. Эта, первая реакционная зона тепловыделения. Выше Тп находится вторая зона тепловыделения за счет термического разложения расплава НА, через который диффундируют продукты разложения пороха. Они, в частности N0 [2], катализируют разложение НА. Образовавшиеся газы диспергируют расплав НА, образуя над ним сплошной слой тумана.
Таблица 2 - Основные параметры волны горения пороха 1 с 50% НА в диапазоне давлений 1-10 МПа
р, МПа 1,22 2,26 4,34 6,18 8,34 9,7
и, мм/с 2,5 3,95 6,48 8,75 11,29 12,83
0,015 0,019 0,010 0,009 0,010 0,005
I, мм 0,034 0,031 0,026 0,023 0,023 0,023
-0,010 -0,015 -0,008 -0,007 -0,009 -0,006
0,026 0,015 0,016 0,001 0,002 0,002
/т, мм 0,055 0,021 0,029 0,007 0,004 0,005
-0,026 -0,007 -0,013 0,000 -0,002 -0,002
16 22 21 36 18 23
Тп, к 665 702 767 789 813 824
-16 -23 -23 -35 -10 -20
ф'10"4, К/см 2,14 10,33 -1,83 1,18 11,71 -2,29 6,32 17,17 -3,24 1,55 18,69 -3,79 4,19 21,02 -3,94 4,82 22,36 -1,82
96 90 86 65 46 60
Тз, К 1797 2025 2061 2102 2174 2171
-60 -72 -172 -78 -76 -54
0,022 0,017 0,032 0,011 0,021 0,016
13, мм 0,124 0,119 0,075 0,073 0,067 0,057
-0,027 -0,006 -0,024 -0,020 -0,011 -0,003
107 36 16 27 49 44
Ттах, К 1981 2203 2250 2278 2351 2351
-190 -34 -16 -36 -57 -36
0,051 0,021 0,009 0,025 0,033 0,015
1тах, мм 0,224 0,196 0,191 0,165 0,142 0,131
-0,034 -0,031 -0,007 -0,032 -0,031 -0,009
Температура (Т2) этой зоны, включая "туман", не должна превышать температуру диссоциации НА. Это подтверждается полученными осциллограммами. Эта зона граничит с газовой зоной, в свою очередь, состоящей из участка с высоким градиентом температуры (ф = ^^х) (от Т2 до Т3), и участка с низким градиентом, в котором завершаются реакции с участием N0, Н2, СО и достигается
максимальная температура горения (Ттах) (рис. 2). Термодинамический расчет показал, что продукты горения (р = 4 МПа) состоят из 34,3% СО2, 32,4% Н2О, 3,7% СО, 0,1% Н2, 24,8% N и Трасч=2789К, т.е. в них содержится очень небольшое количество взрыво и экологически опасных газов (С0, Н2).
Подчеркнем, что для исследуемого пороха с НА нет темной зоны, которая отделяет первичное пламя от вторичного при горении порохов без НА. Это также отчетливо просматривается на видеокадрах процесса горения образца с НА: яркое пламя сидит на поверхности. Отмеченные выше параметры волны горения пороха зависят от давления (табл. 2). Заметим, что в принципе можно считать, что поверхность горения проходит через точку В. Но это не изменяет подхода к выделению отдельных зон тепловыделения (см. выше).
Теперь рассмотрим результаты экспериментов, полученных для образца, состоящего из 30% низкокалорийного пороха и 70% НА, скорость горения которого в 4,8 раза выше, чем пороха 1.
Т, к 2000 р = 6,26 МПа ттах
Г
1600 ф
1200 /
800 Т1 Тп ту
400 т*/ Ар 1 V// / Ш ■уу/А/А У/УУУ/* У/УУ/^Л х, мм
-0.12 -0.08 -0.04 0 0.04 0.08 0.12 0.16
Рис. 3 - Температурный профиль горения пороха 2 с 70% НА при давлении 6,26 МПа
Исходные осциллограммы Т(т) качественно не отличаются от осциллограмм для пороха 1, поэтому их обработку проводили аналогичным образом (рис. 3). Полученные результаты представлены в табл. 3. Сравним параметры волны горения двух различных порохов.
Прежде всего, отметим, что для медленно горящего образца с 70% НА толщина расплавленного слоя НА (1т) более чем в 7,4 раза выше, чем для образца 1 с 50% НА. Толщина этого слоя с ростом давления от 1,2 до 10 МПа сильно уменьшается: для образца 1 в 11 раз и для образца 2 - в 6 раз. С учетом того, что некоторая часть этого слоя на осциллограмме связана с прилипанием НА к термопаре (слой между точками А и В) реальная толщина слоя будет примерно в 1,2-1,3 раза меньше. Именно эту величину слоя НА необходимо использовать при расчете времени его существования для определения степени распада НА. Видеосъемка процесса горения образца с 70% НА показала, что при пониженном давлении (1-6 МПа) горение образца происходит волнообразно - после ускоренного выгорания некоторого слоя наблюдается как бы некоторая "задержка". Отметим, что для этого образца I* в 2,5 раза меньше толщины слоя НА. Для образца 1 толщина слоя НА превышает I* лишь при давлении 1,22
МПа (в ~1,6 раза), а при более высоких давлениях она меньше прогретого слоя (в 1,5-5 раз). Относительно принятых нами значений Тп отметим, во-первых, что для образца на основе высококалорийного пороха они на 45-50К выше, чем у образца на основе низкокалорийного пороха, во-вторых, с ростом давления они увеличиваются, при этом для образца 1 величина Тп приближается к температуре диссоциации НА (при давлении 10 МПа различие между ними составляет ~20К, а при р = 4 МПа —50К).
Таблица 3 - Основные параметры волны горения пороха 2 с 70% НА в диапазоне давлений 1-10 МПа
р, МПа 1,3 2,3 4,3 6,26 8,38 10,02
и, мм/с 1,17 1,87 3,1 4,2 5,32 6,14
0,011 0,008 0,019 0,011 0,004 0,010
1, мм 0,136 0,092 0,057 0,030 0,026 0,023
-0,013 -0,013 -0,017 -0,006 -0,003 -0,010
0,187 0,199 0,074 0,027 0,046 0,016
/т, мм 0,349 0,226 0,124 0,085 0,062 0,056
-0,256 -0,106 -0,037 -0,021 -0,053 -0,016
31 19 14 24 23 41
Тп, к 623 668 708 740 772 811
-21 -23 -16 -17 -21 -26
ф'10"4, К/см 1,18 3,42 -1,12 3,33 5,36 -2,38 4,08 8,82 -1,77 1,73 14,97 -3,86 3,03 20,40 -2,80 0,25 20,38 -2,15
57 128 50 100 93 67
Тз, К 1299 1323 1650 1850 1885 1942
-69 -52 -35 -83 -238 -96
0,088 0,128 0,085 0,027 0,021 0,041
¡3, мм 0,449 0,305 0,249 0,129 0,093 0,086
-0,124 -0,075 -0,064 -0,029 -0,018 -0,029
Ттах, К 115 58 75 23 26 34
1722 1801 1893 1997 2026 2034
-119 -59 -41 -39 -32 -36
1тах, мм 0,24 0,19 0,05 0,04 0,01 0,03
1,24 0,92 0,50 0,18 0,13 0,12
-0,22 -0,12 -0,11 -0,03 -0,02 -0,02
Градиент температуры в газовой зоне (ф), прилегающей к слою НА, для образца на основе высококалорийного пороха 1 с 50% НА при низком (2 МПа) давлении в ~2,4 раза выше, чем для образца 2 с 70% НА. С увеличением давления это различие уменьшается и при р = 10 МПа составляет ~1,1 раза.
Температура Т3 в первой газовой зоне для обоих образцов растет с повышением давления от 1 до 3 МПа (обр. 1) или до 4 МПа (обр. 2) довольно резко, затем медленно и относительно слабо. Расстояние этой температуры от поверхности для обр. 1 очень мало: при р = 1 МПа —0,13 мм и 0,07 мм при 10 МПа. Для образца 2 это расстояние значительно больше: при 1 МПа в —3,5 раза, а при 8 МПа - в —1,5 раза.
На некоторых осциллограммах в газовой зоне выше Тдис также имеется "плато" небольшой протяженности или даже падение температуры. Это можно объяснить попаданием капелек НА, диспергированных из к-фазы. Для образца 2, также как и для образца 1 между участками газовой зоны нет темной зоны. Как показано в [7] это связано с тем, что непосредственно над поверхностью горения низкокалорийного пороха происходит разложение паров ДБФ и диспергированных из к-фазы капелек
ДНТ с образованием сажистых частиц, которые обуславливают свечение в зоне, непосредственно прилегающей к поверхности, и затем интенсивно сгорают в окислительной среде продуктов распада НА и обеспечивают быстрый рост температуры до Т3. После Т3 температура в интервале давления до 3 МПа (обр. 1) или 4 МПа (обр. 2) повышается быстро, а затем с ростом давления относительно медленно приближается к максимальному значению. Достигнутые температуры при давлении 10 МПа для образца 1 на —500К и для образца 2 на —450К ниже расчетных значений. Это обусловлено потерями тепла термопарой за счет излучения [4].
При давлении ниже 3-4 МПа различие между расчетными и экспериментальными значениями (ДТ = 700-720К при р = 1 МПа) увеличивается, что обусловлено, как общеизвестно, незавершенностью реакций с участием NO. Расстояние от поверхности горения до максимальной температуры (1тах) с ростом давления (от 1 до 10 МПа) значительно уменьшается (для обр. 2 в —6 раз).
Прежде чем составить тепловой баланс к-фазы при горении порохов сравним значения Тп с температурами кипения пластификаторов и температурой диссоциации НА. Для НГЦ, ДНДЭГ значения Ткип взяты из [5]. Ткип для ДБФ [8], ДНТ [9] и НА [10] рассчитывали по зависимостям давления упругости их паров, установленными в диапазоне относительно низких температур: для ДБФ -298-473К, для ДНТ - 308-523К, для НА - 442-520К.
Оказалось, что только температура кипения ДНТ значительно выше, чем Тп пороха 2. Поэтому жидкий (Тпл = 50-54 С) и термостойкий ДНТ при всех давлениях должен диспергироваться из к-фазы, а ДБФ - испаряться. Как показал расчет, степень первичного распада НГЦ и ДНДЭГ при всех давлениях при полученных значениях Тп достаточно высока (см. далее). Можно полагать, что НА при давлениях, когда значения Тп меньше, чем температура его диссоциации, будет разлагаться в к-фазе и диспергироваться из неё.
На основании полученных результатов с учетом затраты тепла на фазовые переходы и плавление НА, на испарение неразложившегося НА и на испарение ДБФ (для образца 2) составлен тепловой баланс к-фазы:
Мп-[Ср(Тп-То)]п+ Мнд-([Ср(Тп-То)]нд+
Оф.п +пл. нд + Оинд (1 - Пна)) + = Ра + Ок МдБФ ОиДБФ
где мп - массовая доля базового пороха (0,5 для образца 1 и 0,3 для образца 2); мнд - массовая доля НА (0,5 для пороха 1 и 0,7 для образца 2); МдБФ - массовая доля ДБФ (0,02 для образца 2 с 70% НА); Ср -средняя теплоемкость к-фазы (1,46 Дж/г.К для пороховой части и 2,05 Дж/г.К для НА [11]); Оф.п+плНА - теплота фазовых переходов и плавления НА (143,9 Дж/г [12]: с учетом массового содержания НА в образце этот вклад составляет 72 Дж/г для образца с 50% НА и 101 Дж/г для образца с 70% НА); Оинд -теплота испарения НА (2173 Дж/г [10]); ОидБФ - теплота испарения ДБФ (335,8 Дж/г [8]); - тепло, поступающее в к-фазу теплопроводностью из зоны вблизи поверхности горения (= (А/рУ) ф, Дж/г); Ок -
тепловой эффект реакций в к-фазе (состоит из двух частей: тепловой эффект базового пороха (Ок.п) и тепловой эффект НА (Ок.нд)).
Ок = Ок.п + Ок.НА Результаты теплового баланса представлены в таблице 4.
Таблица 4 - Тепловой баланс к-фазы исследованных порохов с НА
Пара -метр № обр. р, МПа
2 4 6 8 10
Оинд (1-Пнд) Дж/г 1 979 888 832 804 801
2 1240 666 350 182 81
Левая часть, Дж/г 1 1765 1767 1769 1783 1816
2 2023 1557 1310 1192 1134
Ра, Дж/г 1 148 127 111 100 93
2 115 157 173 179 178
Ок, Дж/г 1 1618 1640 1658 1683 1723
2 1908 1400 1136 1013 956
£, % 1 92 93 94 94 95
2 94 90 87 85 84
£ = (Ок/(Ок + Ра))-100
Видно, что для образца 1 значение рА с увеличением давления уменьшается в —1,5 раза, а для образца 2 - напротив примерно также, но увеличивается.
Естественно, что тепловой поток из газа (ЧА) будет расходоваться на испарение (диссоциацию) НА: NN¿N0:3 ~ N4:3 + HNO3, ДНдиСС = 2173 Дж/г. За счет этого потока для образца 1 степень диссоциации НА в интервале давления 2 - 10 МПа изменяется от 13,6 до 8,6%, а для образца 2 - от 8 до 13,5%. Остальное количество НА разлагается во второй зоне тепловыделение в контакте с продуктами распада порохов (а для образца 2 и в присутствии паров ДБФ), проходящими через этот слой.
Относительно величины Ок при горении по-рохов с НА отметим следующее.
Известно, что при горении порохов без НА в реакционном слое к-фазы, протяженность которого составляет —10% от прогретого слоя, тепловыделение происходит за счет взаимодействия N02, образовавшегося на начальной стадии разложения нитроэфиров, с исходной молекулой или с её остатком. При этом происходит лишь частичное восстановление N02 до N0, а образовавшиеся газы диспергируют значительную долю реакционного слоя. В результате этого тепловой эффект в к-фазе (Ок) значительно меньше, чем при полном восстановлении N02 до N0 (О[\ю). Так, при горении высококалорийного пороха 1 величина Ош при давлении 2 МПа равна 1985 Дж/г, а значение Ок = 476 Дж/г [13] (т.е. диспергируется —75% пороха), а для низкокалорийного пороха 2 Омо равно 1405 Дж/г, а Ок = 435 Дж/г [14] (диспергируется —70% пороха).
Безусловно, что при горении порохов с НА диспергирование пороха затруднено, так как над разлагающимися прослойками пороха (при Т ~ Тп) находится слой расплава НА, высота которого значительно превосходит (особенно при пониженном давлении) ширину реакционного слоя и всего прогретого слоя. При этом промежуточные продукты распада пороха, проходя через расплав НА, будут продолжать реагировать между собой, значительно увеличивая долю прореагировавшего М02, и, следовательно, увеличивая Ок. Максимальное количество тепла (Окю) выделится при полном восстановлении М02 до N0.
Расчет показывает, что при изменении давления от 2 до 10 МПа для пороха 1 с 50% НА Омо увеличивается от 992 до 1018 Дж/г, а для пороха 2 с 70% НА - от 344 до 402 Дж/г.
Из табл. 4 видно, что основное количество тепла для распространения горения обоих образцов выделяется в к-фазе в двух зонах тепловыделения: 92-95% для образца 1 и 94-83% для образца 2. При этом максимальная доля тепла, выделяющегося в первой зоне тепловыделения за счет разложения пороха для образца 1 может составлять —60%, а для образца 2 - гораздо меньше (17%). Это совершенно понятно, так как для образца 1 использован высококалорийный порох (Ож = 5619 кДж/кг), а для образца 2 - низкокалорийный порох, значение Ож для которого в —2,5 раза меньше.
Выводы
1. С использованием микротермопар, видеосъемки и электронного микроскопа изучен механизм горения двух порохов с высоким содержанием НА, отличающихся по составу скорости горения: образца 1 на основе высококалорийного пороха с 50% НА и образца 2 на основе низкокалорийного пороха с 70% НА.
2. Показано, что на поверхности горения формируется слой расплава НА, толщина которого зависит от состава пороха и давления, при котором происходит горение. Под этим слоем происходит тепловыделение при температуре Тп, в основном, за счет разложения прослоек пороха между каплями НА (первая зона тепловыделения). Образующиеся газы диффундируют через слой расплава НА, способствуя его разложению (вторая зона тепловыделения). Температура этого слоя почти не изменяется и несколько меньше или близка (при повышенном давлении) к температуре диссоциации НА.
С ростом давления значение Тп увеличиваются, при том для образца 1 они на 40-50К выше, чем для медленногорящего образца 2.
В газовой фазе также имеется две зоны тепловыделения. В первой зоне благодаря высокой концентрации газообразного окислителя (М02, N0) достигается высокий градиент температуры; при этом тепловой поток из этой зоны расходуется на диссоциацию неразложившейся части НА.
Во второй зоне, градиент температуры в которой значительно меньше, чем в первой, происходит догорание СО и Н2 за счет реакций с N0.
Установлено, что горение порохов происходит по к-фазной модели, при этом для образца на основе высококалорийного пороха с 50% НА основное количество тепла для распространения горения выделяется за счет разложения пороха, а для образца на основе низкокалорийного пороха с 70% НА за счет разложения жидкого слоя НА, ускоряемого продуктами распада пороха.
Литература
1. Е Зо Тве, А.П. Денисюк. ФГВ, 49, 3, 39-49 (2013)
2. V.P. Sinditskii, V.Y. Egorshev, A.I. Levshenkov, V.V. Serushkin. Propellants, explosives, pyrotechnics, 30, 4, 269280 (2005)
3. А.П. Денисюк, Е Зо Тве, Д.Л. Русин, Е.В. Ульянова. Химическая технология, 12, 8. 471-477 (2011)
4. В.П. Синдицкий, В.Ю. Егоршев, М.В. Березин, В.В. Серушкин. Методы исследования горения энергетических материалов. РХТУ им. Д.И. Менделеева, Москва, 2010. 104 с.
5. Е Зо Тве, А.П. Денисюк. Вестник Казанского технологического университета. 16, 22. 92-97 (2013)
6. Г.Б. Манелис, Г.М. Назин, Ю.И. Рубцов, В.А. Стру-нин. Термическое разложение и горение взрывчатых веществ и порохов. Наука, Москва, 1996. 223 с.
7. А.П. Денисюк, Е Зо Тве. ФГВ, 47, 2, 66-73 (2011)
8. К. Тиниус. Пластификаторы. Химия, Ленинград, 1964. 916 с.
9. K. Meyer, Explosivstoffe. Verlag Chemie, Weinheim, 1985. 426 p.
10. G. Feick. J. Amer. Chem. Soc., 76, 22, 5858-5860 (1954)
11. Ю.Е. Шелудяк, Л.Я. Кашпоров, Л. А. Малинин, В.Н. Цалков. Теплофизические свойства компонентов горючих систем. Москва, 1992. 183 с.
12. В.Т. Fedoroff, О.Е. Sheffield. Encycylopedia of Explosives and Related Items. Picatinny Arsenal, NJ, Dover, 1966. Р. A311-A340
13. Е Зо Тве, А.П. Денисюк. Вестник Казанского технологического университета. 15, 21. 28-33 (2012)
14. A.P. Denisjuk, Ye Zaw Htwe. В сб. Energetic Materials: proc. 40th Int. annual conf. ICT. Karlsruhe, FRG, 2009, P. 112. 1-11
© Е Зо Тве - кафнд. техн. наук, докторант каф. ХТВМС РХТУ им. Д.И. Менделеева, yezawhtwe@mail.ru; А. П. Денисюк -д-р техн. наук, проф., зав. каф. ХТВМС РХТУ им. Д.И. Менделеева, denisap@rctu.ru.
