CC BY
45
УДК 662.612.3+691.175.5/.8
С. М. Решетников, И. А. Зырянов, А. Г. Будин, А. П. Позолотин
ОСОБЕННОСТИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ПОЛИМЕТИЛМЕТАКРИЛАТА
В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ
Ключевые слова: полимер, горение, электростатическое поле, гибридный ракетный двигатель.
Расчёт скорости термоаэродинамического уноса массы, гетерогенного горения полимеров обычно производится исходя из условий объёмного характера разложения. Анализ экспериментальных данных по исследованию механизма разложения показывает их недостаточность. В настоящей работе для рассмотрения механизма теплового разложения в процессе горения твердотопливного блока гибридного ракетного двигателя (ГРД), исследована структура поверхности погашенных топливных блоков из ПММА (полиметилметакрилата). Рассмотрены особенности механизма горения при наличии электростатического поля в камере сгорания гибридного ракетного двигателя.
Keywords: polymer, combustion, electrostatic field, hybrid rocket engine.
The calculation of termo-aerodynamic ablation, heterogeneous combustion speed of polymers is usually performed based on the conditions of volumetric expansion. Experimental data analysis of the destruction mechanism study shows its insufficiency. For the consideration of the thermal destruction mechanism during combustion of solid block of hybrid rocket engine (HRE) in the present paper results of extinguished blocks of PMMA (polymethylmethacrylate) surface structure study are presented. The features of the combustion mechanism under the influence of an electrostatic field in combustion chambers of hybrid rocket engine are considered.
Введение
Основными проблемами эксплуатации гибридных ракетных двигателей (ГРД) являются расчёт и управление скоростью гетерогенного горения твердого компонента топлива. Известно, что пламя при горении углеводородов является неравновесной пылевой плазмой [1, 2]. Одним из способов влияния на баллистические параметры в камере сгорания двигателя является создание электростатического поля в области горения [3].
В работе [4] авторами описан стенд и методика проведения эксперимента по определению влияния электростатического поля, созданного в камере сгорания ГРД, на скорость горения твердого компонента, показана возможность интенсификации горения в ГРД. Наличие электростатического поля в камере сгорания, образованного разностью потенциалов 3 кВ даёт прирост скорости горения 14%, а поле 5 кВ даёт прирост 27% при одинаковых расходах окислителя. Однако остается неясным механизм изменения скорости горения.
В работе ставится цель - изучение механизма уноса массы полиметилметакрилата и влияния электростатического поля на процесс горения полимера в ГРД.
Результаты при горении на воздухе
В процессе горения ПММА
(полиметилметакрилата) рельеф поверхности горения зависит от интенсивности теплового потока пламени. При горении на воздухе цилиндра из ПММА образуется конус горения, который представляет собой материал, содержащий 20% пор, состоящих из мономера [5], которые равномерно распределены по объёму (рис. 1), что подтверждает объемный характер пиролиза.
Рис. 1 - Образование пузырей в объеме горящего ПММА
Объемный термораспад рассматриваемого полимера при горении - результат теплопередачи от пламени в к-фазу в форме лучистой энергии и поглощения её конденсированной фазой согласно закону Бугера. Такой механизм реализуется при небольших тепловых потоках, обычно при горении на открытом воздухе. Максимальная температура внутри конуса горения будет выше, чем на поверхности полимера, что способствует образованию газовых включений из продуктов термораспада.
В работе [6] показано наличие экстремума в температурном профиле нагреваемого излучением вещества. Максимум температуры приходится на область в подповерхностном слое. Это обуславливает смещение области интенсивных реакций терморазрушения с поверхности вглубь образца. Отсутствие выхода продуктов реакции из полимера приводит к образованию полостей, заполненных продуктами разложения.
Методика исследования горящего ПММА в высокоэнтальпийном потоке
Механизм терморазложения в
высокоэнтальпийном потоке качественно отличается от процесса свободного горения на воздухе. Он определяется большим темпом нагрева и как результат - тонким реакционным слоем к-фазы со специфическим рельефом поверхности горения. Реакционный слой становится пористым, что увеличивает коэффициент поглощения по закону Бугера и уменьшает коэффициент теплопроводности.
Для выявления механизма разложения ПММА при горении в высокоэнтальпийном потоке и влияния электростатического поля на скорость выгорания твердого компонента топлива в ГРД была исследована структура реакционного слоя поверхности отработанных погашенных топливных блоков из ПММА с каналом цилиндрической формы с начальным внутренним диаметром 20 мм. Модельный ГРД подробно описан в [4]. Горение происходит в канале топливного блока, а электростатическое поле создается между электродом, расположенным по центру канала, и вторым электродом в виде сетки, обвернутой вокруг блока. Проведено микроскопическое
фотографирование поверхности горения блока ПММА сверху (радиально от оси симметрии топливного блока) и с торца (на поперечном срезе топливного блока) с помощью оптического микроскопа ЬеуепИик Б70Ь. Образец для исследования вида сверху диаметром 23 мм выпиливался кольцевой пилой из отработанного твердотопливного блока. Далее с помощью микроскопа производилось фотографирование поверхности топлива. Подсчитывалось количество пор разного диаметра. Для изучения торцевой поверхности из отработанного твердотопливного блока выпиливалась поперечная пластина толщиной 2 мм. Одна из поверхностей среза образца шлифовались до прозрачного состояния. Производилось фотографирование торцевой поверхности для определения количества центров разложения и глубины реакционного слоя.
Результаты экспериментов
Исследуемая потушенная поверхность представляет собой «замороженный» реакционный слой. Внутри горящей поверхности цилиндра, перпендикулярно плоскости поверхности находятся полости цилиндрической формы, открытые наружу. Появление таких цилиндров происходит за счет того, что давление в полостях с газом-мономером, образованных из-за наличия температурного экстремума в подповерхностном слое, может превышать давление в области горения [7]. При приближении поверхности горящего топлива к полости возникает ситуация, когда силы, создаваемые давлением газа в полости, разрушают полимерную перемычку полости-поверхности. В результате образуется канал, через который мономер выходит в зону горения. На рис. 2 приведены сформированные каверны в
соответственном масштабе: высота канала принимает значения 30 - 50 мкм, диаметр 11 - 15 мкм.
Рис. 2 - Цилиндрические каверны с мономером
Скорость терморазложения при горении определяется полученной системой каверн. Под разрушением полимера понимается создание в реакционном слое системы «каверн».
На рис. 3 приведены примеры фотографии торца поверхности ПММА после горения в ГРД при расходе окислителя 20,33 кг/м2с без поля и с полем, создаваемым разностью потенциалов 5 кВ.
Рис. 3 - Поверхность ПММА (с торца) после горения в отсутствии поля (сверху) и с полем 5 кВ (снизу) при расходе окислителя 20,33 кг/м2с
Проведен подсчет каверн, приходящихся на 1 мм поверхности торцевого среза блока ПММА при расходах окислителя от 5,72 кг/м2с до 61 кг/м2с без электростатического поля, а так же при разностях потенциалов между электродами, создающими поле, в 3 и 5 кВ соответственно. Для определения количества каверн при заданном расходе окислителя и конфигурации электростатического поля усреднялись результаты измерений по четырем фотографиям, полученным в разных местах среза. Результаты исследования представлены в таблице 1, где ри - массовая скорость окислителя, кг/м2с; и -напряжение между электродами, кВ; и - линейная скорость выгорания твердого компонента, мм/с; п -линейная плотность распределения каверн (количество каверн на единицу длины поверхности
торцевого среза топливного блока), шт/мм; И -средняя высота вышедшей каверны, мкм.
Таблица 1 - Результаты исследования торцевых срезов поверхности
№ ри, кг/м2с И, кВ и, мм/с п, шт/мм И, мкм
1 23,27 0 0,170 48 43
2 23,27 0 0,170 52 44
3 23,27 0 0,171 46 46
4 30,62 0 0,209 56 45
5 30,62 0 0,211 46 45
6 51,45 0 0,291 52 30
7 61,00 0 0,300 58 31
8 5,72 3 0,122 64 45
9 15,59 3 0,154 72 35
10 39,2 3 0,273 66 38
11 46,55 3 0,294 66 40
12 20,33 5 0,205 74 35
13 30,62 5 0,259 74 44
14 39,2 5 0,293 70 43
15 46,55 5 0,322 72 36
16 61,00 5 0,394 70 42
17 61,00 5 0,394 74 39
По результатам, приведенным в таблице 1, видно, что изменение расхода окислителя не влияет на линейную плотность распределения каверн п, ее изменение наблюдается при наложении
электрического поля. При этом средняя глубина вышедших каверн И остается постоянной.
Для нахождения распределения числа каверн по размерам проведен анализ фотографий, сделанных радиально (по нормали к поверхности горения топлива). Массовые расходы окислителя варьировались в диапазоне от 5,72 кг/м2с до 79,3 кг/м2с, разность потенциалов между электродами составляла 0, 3 и 5 кВ соответственно.
Таблица 2 - Результаты исследования поверхности
На рис. 4 приведены примеры фотографии поверхности канала в блоке ПММА после горения в ГРД без поля и с полем, создаваемым разностью потенциалов 5 кВ.
Рис. 4 - Поверхность канала в блоке ПММА после горения в отсутствии поля (слева) и в поле 5 кВ (справа) при расходе окислителя 30,62 кг/м2с. Видны выходы каверн из подповерхностного слоя
Подсчитанное количество каверн различного размера для одного расхода окислителя и конфигурации электростатического поля усреднялось по результатам анализа трех фотографий, сделанных в разных местах образца. Результаты представлены в таблице 2, где ри -массовая скорость окислителя, кг/м2с; и -напряжение между электродами, кВ; и - линейная скорость выгорания твердого компонента, мм/с; N -поверхностная плотность распределения каверн (количество каверн на единицу площади поверхности топливного блока), шт/мм2, -
среднее значение поверхностной плотности для определенного напряжения между электродами, шт/мм2; d - средний диаметр каверны при заданном расходе, мкм; Б - средний диаметр каверны по всем расходам при заданном напряжении между электродами, мкм; 8кав - общая площадь, занятая
кавернами в пределах 1 мм2 плоской наружной
2
поверхности, мм .
И, кВ № ри, кг/м2с и, мм/с N шт/мм2 <N>, шт/мм2 d, мкм Б, мкм ^кав, мм2
1 23,27 0,170 554 15,1
2 23,27 0,170 409 14,8
0 3 23,27 0,171 406 470 12,5 13,7 0,878
4 30,62 0,209 581 12,7
5 51,45 0,291 380 14,6
6 61,00 0,300 491 12,5
7 5,72 0,122 571 13,2
8 15,59 0,154 439 14,9
3 9 39,2 0,273 590 523 13,7 13,7 0,977
10 46,55 0,294 405 14,7
11 51,45 0,315 611 13,7
12 20,33 0,205 741 13,2
13 30,62 0,259 706 13,4
5 14 39,2 0,293 491 631 13,4 12,6 1,077
15 46,55 0,322 516 11,4
16 61,00 0,394 632 11,4
17 79,3 0,430 701 12,7
Результаты таблицы 2 говорят в том, что при одинаковой напряженности поля изменение расхода окислителя не вызывает изменения поверхностной плотности каверн. При увеличении напряжения между электродами поверхностная плотность каверн возрастает.
Обсуждение результатов
Полученные результаты свидетельствуют о том, что при горении в подповерхностном реакционном слое топлива происходит образование газовых полостей - каверн. По данным таблиц 1 и 2 высота каверн и плотности их распределения остаются постоянными при изменении расхода окислителя. Это свидетельствует о том, что механизм их образования мало меняется с изменением теплового потока. Изменения в плотностях распределения каверн наблюдаются при воздействии электростатического поля.
Анализ взаимосвязи между поверхностной плотностью распределения каверн и изменением линейной скорости горения полимера в поле произведен графически (рис. 5). На графике отмечено относительное изменение скорости горения и/и0 (по данным работы [4]) и изменение плотности распределения каверн N/N0, при этом индексом 0 обозначено среднее значение соответствующей величины без поля.
N/N0 и/и„
1.4
1
u/uo = 0,067
______________________ j0 = o,oeeu + ,976
N/N0 L u/uo
0,3 U. кВ
Рис. 5 - Относительное изменение плотности распределения каверн NN и линейной скорости горения в электростатическом поле
Проведя аппроксимацию методом наименьших квадратов, получим зависимость относительного изменения плотности распределения каверн от величины разности потенциалов между электродами (рис. 5):
Л//Л/0 = 0,0666/ + 0,976,
где U - разность потенциалов между электродами, кВ.
Зависимость же относительного изменения линейной скорости горения от величины разности потенциалов между электродами (рис. 5):
uIUq = 0,067U + 0,982 .
Наблюдается прямо пропорциональное изменение скорости горения изменению плотности распределения каверн. Это свидетельствует о том, что изменение скорости процесса объемного пиролиза ПММА полностью определяется варьированием концентрации каверн. В свою очередь, исходя из результатов экспериментов, изменение плотности каверн однозначно определяется изменением напряжённости электростатического поля в зоне раздела фаз.
Выводы
1. В результате испытаний на тестовом стенде с ГРД (топливная пара ПММА + газообразный кислород) получены и исследованы «замороженные» потушенные поверхности горящего твердотопливного блока с целью изучения механизма его горения в высокоэнтальпийном потоке и в присутствии электростатического поля.
2. На основании обмера и микроскопического фотографирования поверхности горения получено, что процесс газообразования происходит в подповерхностном слое, в «кавернах», удельное количество которых не зависит от расхода окислителя.
3. При неизменном расходе кислорода наложение электростатического поля увеличивает концентрацию каверн пропорционально напряжённости поля.
4. Электростатическое поле способствует зарождению каверн, что приводит к увеличению скорости термораспада полимера, т.е. скорости горения и, как следствие, увеличению тяги ГРД.
Литература
1. А.М. Савельев, А.М. Старик Журнал технической физики, 76, 4, 53-60 (2006).
2. S.M. Reshetnikov, I.A. Zyryanov, A.P. Pozolotin, A.G. Budin Journal of Physics: Conference Series, 669, 4P (2016).
3. С.М. Решетников, И.А. Зырянов, А.П. Позолотин Известия ЮФУ. Технические науки, 8, 30-36 (2013).
4. С.М. Решетников, И.А. Зырянов, А.П. Позолотин, А.Г. Будин ВестникКГТУ им. А.Н.Туполева, 1, 52-57 (2015).
5. С.М. Решетников, И.С. Решетников. Анатомия горения, НГСС, Москва, 2014. 247 с. (2012).
6. С.Н. Андреев, С.В. Орлов, А.А. Самохин Российская академия наук. Труды института общей физики им. А.М. Прохорова, 60, 127-148 (2004).
7. Ю.И Дмитриенко, И. Д. Дмитриенко Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Естественные науки», 1, 96-113 (2012).
© С. М. Решетников, д-р техн. наук, проф. каф. физики, Вятский государственный университет, rsm@e-kirov.ru; И. А. Зырянов, канд. техн. наук, доцент той же кафедры, b185@mail.ru; А. Г. Будин, асп., ассистент той же кафедры, cynepcoyc@rambler.ru; А. П. Позолотин, канд. техн. наук, доцент той же кафедры, firewcross@mail.ru.
© S. M. Reshetnikov, Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Physics Professor, Vyatka State University, rsm@e-kirov.ru; 1 A. Zyryanov, Candidate of Technical Sciences, Department of Physics Assistant Professor, Vyatka State University, b185@mail.ru; A. G. Budin, Graduate Student, Department of Physics Assistant, Vyatka State University, cynepcoyc@rambler.ru; A. P. Pozolotin, Candidate of Technical Sciences, Department of Physics Assistant Professor, Vyatka State University, firewcross@mail.ru.
