CC BY
86
УДК 662.311.1
Илларионов А.А, Егоршев В.Ю.
ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЦЕПТУРЫ БОРСОДЕРЖАЩЕГО ПИРОТЕХНИЧЕСКОГО ТОПЛИВА
Илларионов Артем Андреевич, студент V курса кафедры химии и технологии органических соединений азота РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Егоршев Вячеслав Юрьевич, старший преподаватель кафедры химии и технологии органических соединений азота РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва, e-mail: egorshev@yahoo.com Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Исследовано горение борсодержащих пиротехнических топлив на основе смеси нитрата калия, перхлората калия и бора с эпокси-идитольным связующим. Показано, что скорость горения системы слабо зависит от содержания бора в интервале от 5 до 10%, в то время как расчетные и экспериментальные температуры горения различаются на 600-1000 C. Обнаружено, что степень участия бора в реакциях окисления незначительна при низких давлениях, но достигает 100% при 5-15 атм. Показано, что снижение температуры горения состава значительно уменьшает эрозионный разгар соплового блока в модельном ракетном двигателе.
Ключевые слова: борсодержащее топливо, температура горения, скорость горения.
OPTIMIZATION OF A BORON-CONTAINING PYROTECHNIC PROPELLANT FORMULATION
Illarionov Artem Andreevich, Egorshev Viacheslav Yurievich D.I. Mendeleev University of Chemical Technology, Moscow, Russia.
The combustion of pyrotechnic compositions based on a mixture of boron, potassium perchlorate, potassium nitrate and epoxy-phenol formaldehyde resin has been studied. The burning rates of the compositions have been shown to depend slightly on the boron concentration within the interval of 5-10%, whereas the difference between experimental and calculated combustion temperatures may be as large as 600-1000 C. The degree of boron involvement in the combustion reaction proves to be insignificant at low pressures, but tends to reach 100% when the pressure increases to 5-15 atm. The decreasing combustion temperature results in a considerable decrease in erosion of the nozzle of a model rocket engine.
Keywords: boron-containing propellant, combustion temperature, burning rate.
Введение
Проведенные ранее в РХТУ исследования показали [1], что система на основе смеси нитрата калия и бора с добавкой перхлората калия и отвержденная эпокси-идитольным связующим (ЭИ) обладает относительно высокими скоростями горения (2-3 см/с при 20-30 атм), и может устойчиво гореть при пониженных давлениях в широком диапазоне соотношения компонентов. Смесь В/КЫ03 широко применяется для воспламенения твердых ракетных топлив (ТРТ), в том числе и в условиях вакуума; ее свойства достаточно полно описаны в литературе [2, 3]. Композиции на основе смеси В/КЫ03, в отличие от обычных твердотопливных составов, обладают следующими отличительными характеристиками: низкой зависимостью скорости горения от давления, высокой скоростью горения при низких давлениях, легкостью поджигания при давлениях ниже атмосферного, малым температурным коэффициентом скорости горения [4]. Идитол (фенолформальдегидная смола) является одним из предпочтительных связующих для пиротехнических составов, в том числе на основе смеси B/KNO3, так как показывает наилучшие характеристики горения смеси, а также химическую стабильность в условиях повышенной температуры и влажности [5].
В результате исследований характеристик работы модельного двигателя, содержащего топливную композицию KNO3/KCЮ4/ЭИ с 10% бора, выяснилось, что топливный состав обладает довольно высокой температуре продуктов горения, которая наряду с их высокой реакционной способностью приводит к эрозионному разрушению материала сопловой части
двигателя. В настоящей работе производится поиск пути уменьшения эрозионного действия топлива за счет снижения температуры горения состава с сохранением основных баллистических характеристик и технологических приемов изготовления топливных элементов.
Расчетная часть
Расчеты температуры горения и скорости истечения продуктов (удельного импульса) для состава KNO3/KClOyB^M при разных соотношениях компонентов проводились с помощью программы термодинамических расчетов REAL [6]. Сравнение полученных расчетных параметров проводилось с параметрами базового состава KN03/KCl04/B/3M -70/10/10/10 (масс. %), разработанного ранее [1]. Было предположено, что основным фактором, влияющим на температуру горения, является содержание бора в составе. Для проверки этого предположения были проведены расчеты для составов, в которых часть бора заменялась на эпокси-идитольное связующее. В расчетах количество окислителей сохранялось неизменным: 70% KNO3 и 10% KClO4, содержание B изменялось от 0% до 10%, а связки ЭИ - от 10% до 20%. Как можно видеть из полученных зависимостей импульса и температуры горения от содержания бора (Рис. 1), при его содержании выше 5 - 6% происходит резкий скачок температуры, но при этом резкого роста импульса не наблюдается.
Таким образом, состав с пониженным содержанием бора (70%KN03/10%KCl04/5%B/15°/<3K) можно рассматривать как более оптимальный в плане баланса
энергетических характеристик (температура и импульс), чем ранее исследованный состав с 10% бора. Температура горения этого состава составляет 1924 К (вместо 2624 К), а импульс при Р/Ра = 40/1 - 1517,7 м/с (вместо 1664,6 м/с). Низкотемпературный состав был исследован экспериментально для определения баллистических параметров и характеристик работы в модельном двигателе.
Т. к
-1-: [
Г ИЬ. m/s J
Рис. 1. Зависимость температуры и импульса состава KNOз (70%)/KCЮ4 (10%)^ (10-0%)/ЭИ (10-20%) от содержания бора.
Рис. 2. Зависимость скорости горения от давления для базового состава (10% B) и низкотемпературного состава (5%
B).
Экспериментальная часть
Составы готовились путем смешения компонентов под слоем ацетона с дальнейшей сушкой сначала при комнатной температуре и постоянном перемешивании до испарения ацетона, а затем - при 60°С в вакуумном шкафу. Размер частиц окислителей был менее 50 мкм, а аморфного бора - менее 1 мкм. Эпокси-идитольное связующее вводилось в состав на стадии смешения в виде ацетонового раствора. Эксперименты по измерению скорости и температуры горения проводились в бомбе постоянного давления БПД-400 объёмом 1,5 литра в интервале давлений от 1-100 атм, а также в вакуумной камере объемом 40 л при остаточном давлении до 0,1 атм. Измерение температуры при горении исследуемых смесей проводилось с помощью вольфрам-рениевых микротермопар с толщиной прокатанной части ~20 мкм. Сигнал от термопары подавался на цифровой осциллограф PICO ADC-212, подключенному к компьютеру. Заряды для исследования готовились прессованием
порошкообразного состава в шашки диаметром 7 мм и
высотой 6,5-7 мм. Шашки бронировались по боковой поверхности предварительно размягченными трубками из поливинилхлорида внутренним диаметром 6 мм. Поджигание зарядов производилось нихромовой спиралью. Скорость горения заряда фиксировалась с помощью высокоскоростной камеры FASTCAM SA3 60К.
Температура корпуса двигателя измерялась с помощью 20-микронной Г-образной вольфрам-рениевой термопары. Термоспай микротермопары плотно закреплялся к корпусу двигателя в районе основания сопла.
Результаты и обсуждение Одной из задач данной работы было снижение эрозионного действия топлива за счет снижения температуры горения состава с сохранением основных баллистических характеристик топливных элементов. Как следует из Рис. 2, показывающего зависимость скорости горения от давления для составов с различным содержанием бора, в области повышенных давлений скорость горения топлива с 5% бора немного меньше по сравнению с топливом, содержащим 10%В, а при давлениях ниже атмосферного - остается практически такой же. Зависимости скорости горения от давления для обоих составов показывают излом при давлении 1-2 атм с увеличением скорости. На участке 2-100 атм закон горения для состава с 5% бора имеет вид: и (мм/с) = 13,5*р0 23, а для состава с 10% бора - и (мм/с) = 14,9*Р . Следует отметить, что близкий закон горения был ранее получен в работе [4] для смеси 77,5%KNO3+17%В с 5,5% полиэфирного связующего в диапазоне 5-35 атм: и (см/с) = 1,63*Р020 Проведенные термопарные измерения при горении смесей с 5 и 10% бора показали интересные результаты: если при низких давлениях максимальные температуры горения различаются очень слабо (~100°С), то при давлении 15 атм эта разница весьма существенна и составляет 630-1040°С (Рис. 3).
2500 1—
Расстояние, мм
Рис. 3. Сравнение температурных профилей при горении составов при давлении 0,25 ат (А) и 15 ат (Б)
Полученные результаты позволяют говорить о том, что бор при низких давлениях не реагирует (или реагирует лишь частично) в зоне пламени вблизи поверхности горения (до 4-5 мм). Реакция окисления бора начинает происходить при повышении внешнего давления, причем расчетная температура горения состава с 5% бора достигается уже при 5 атм, а для состава с 10% бора - при более высоких давлениях (Рис.
4).
2800 |—
2400
о. 2000
1600
1200
•
Т расчет (10%B) • _1
_ . - - i m i i
_ /
. T расчет (5%B) / ^ A A
Л * L.---• " А , -AT ** lr___' * • A A 10%Вэксп 5%Вэксп
......"I i .......1 ........I
0.1 1 10 100 Давление, атм
Рис. 4. Зависимость экспериментальной и расчетной температуры горения от давления для базового состава (10%В) и низкотемпературного состава (5%В).
Рис. 5. Сравнение температуры соплового блока двигателя, снаряженного двумя видами топлива.
Снижение температуры горения состава при уменьшении содержания бора приводит к меньшему нагреву внешней стенки соплового блока (Рис. 5), а также к снижению эрозионного действия топлива на поверхность сопла микродвигателя, изготовленного из жаростойкой стали (Рис. 6).
А
Б
Рис. 6 Температурная эрозия внутренней части стального сопла при работе двигателя с высокотемпературным (А) и низкотемпературным (Б) составами.
Выводы
Проведенные исследования показали, что уменьшение количества бора с 10 до 5% в композиции со смесевым окислителем (нитратом и перхлоратом калия) не приводит к значительному уменьшению скорости горения, но сопровождается сильным уменьшением температуры горения топлива. Термопарные измерения при горении топливных составов указывают на низкую степень участия бора в горении при пониженных давлениях и практически полное его окисление при повышении внешнего давлении до 5-15 атм. Использование низкотемпературного топлива с 5% бора позволило практически полностью подавить эрозию внутренней стенки стального сопла модельного двигателя.
Литература
1. Синдицкий В.П. Егоршев В.Ю., Серушкин В.В., Колесов В.И. и др. Экспериментальные исследования по созданию перспективных топлив и топливных элементов для матричных реактивных микродвигателей: Отчет РХТУ им. Д.И. Менделеева по СЧ НИР «Нота-Х», 2015. - 177 с.
2. Kubota N. Propellants and Explosives. Thermochemical Aspects of Combustion. 3rd Edition, Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co.,. 2007. 560 p.
3. Вспомогательные системы ракетно-космической техники /Пер. с англ./ Под ред. Тишунина И.В., М.: Мир, 1970.
4. Kuna M., Peretz A., and Manheimer-Timnat Y. Performance Prediction of BPN Pyrogen-Type Igniters for Rocket Motors // Journal of Spacecraft and Rockets. 1977. Vol. 14, № 4. P. 202-206.
5. Barisin D. The Influence of the Various Types of Binder on the Burning Characteristics of the Magnesium-, Boron-, and Aluminum-Based Igniters // Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 1994. Vol. 19. P. 127-132.
6. Belov G.B. Thermodynamic Analysis of Combustion Products at High Temperature and Pressure // Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 1998. Vol. 23. P. 8689.
