CC BY
35
УД?; 54! 194
ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛэЗОВАНИЯ YlbXAHOA« I ИВШ'ОВАННЫХ 11ИiJ01 ЬХНИЧЬСКИХ (.ОС I АВОВ ДЛЯ СЖИГАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
В. Е. Зарко . M. А Корчагин . А. Б. Кискик1. Д. Б. Лгмперт\ Ю. В. Иордан4. Б. И. Трушляков4
1 Институт»химической кинетики и горения СО РАИ, г. Новосибирск, Россия 2 Институт химии w вар д ос о тела и мвханохимии СО РАН, г. Новосибирск. Россия
3 Институт проблем химической физики РАН, г. Черноголовка, Россия
4 Омски и государственный технический университет, з. Омск, Россия
Аннотация - Рассмотрен один m возможных вариантов механически активированного пиротехническою LUC1 иии BjC-Ti J IH СЖ1И iHiiM элемента киысцпкшш стирок i и. шин.nu uûi«cait>.m ни aîmuiферном участке траектории спуска после отделения от ракеты-носителя. Конструкция головного обтекателя выполнена из композиционного материала, состоящего и? углепластика к алюминиевого заполнителя. Исследованы температурные режимы горения пиротехнического состава п проведены предварительные эксперименты по сжнгпнию образцов конструкции створок головного обтекателя на воздухе. Эксперименты проведены на образцах двух составов, отличающихся содержанием титана. В результате экспериментов установлено, что предварительная механическая активация приводит к снижению значении температуры интптровлния химической релкппи нл готни грлдусои, кроме 1тогп при гжпглнпп oop.iv-иов конструкции стБорок головного обтекателя наблюдается полное выгорание алюминиевого сотового {jiiu.iHiiiKiM н иапп1Н|1ниГ| \i;i i jiii iiki к vi jieii.imt:i hkiiruh обшикки. Прпкс (енньп- iipe. |к:<рн i e ihHhtf hki-перимеиты показали возможность использования ппротсхпнчсского состава типа B*C+4Ti для решепия Д||ичн но гжш jhhhi -иемен i мк мшпрткцин п кирпк i ii.idkhoi ii оГнекл |ели.
Клтчекыг cjitnur. iiii[iuiе\ннчегкнм шпик, ыехлничегкэм зкшкиция, уирвлапик, нн<и<11кмГ| режим гореипя.
I. ВВЕДШИЕ
Одной us иричин. иршкдоицеи к opi анимационным. социальным н ¿kojjoi нче-.кнм проблемам. ьомникаллцим при пусках раксг-носитслсн. является необходимость выделения значительных площадей под районы падения створок головных обтекателей. Эта площадь в 3-5 раз превышает площадь районов падения отработанных ступеней роЕет-Еосителей. Например, для существующей современной PII «Зенит» при пусках с космодромов Байконур. Плесецк плошадь района падения достигает до 6000 кв. :<м. Эта особенность створок головного обтекателя обусловлена, прежде всего, их конструкцией к аэродинамикой процесса нх движения на атмосферном участке траектории спуска.
Отдптгни- гш1{Ч>к rraifffimrft обтгкатг-т* от рлкгты-ногигглг* произведите я при таких параметрах движения при которых пагрев са атмосферном участке траектории с щека не пршюдит к их сгоранию. как. например, при
КХОДГ К атмопфгцу КОГМИЧГГКИХ OOhfklOK il» C.KDJKXTITIUH Гншгг 5 км/г TrVIiriljnyjM riKIIJtOK lUJItlKHOIT) uilin»-
теля па атмосферном участке спуска не превышает велтгпш. достигаемых на атмосферном упастке траектории KKi кед^нни рлкпы-шк-нчгл«
Рассматривается вариант создания технолопш для оценки возможности слахгаиня створок головного обте катета [1]. выполненных в виде трехслойной конструкции с обшивкамн из углепластика и алюминиевым сотовым заполнителем (рнс. I). при нх двнженкн на атмосферном участке траектории спуска.
Для реализации процесса сгорания створок головного обтекателя в плотных слоях атмосферы предлагается дополнительный подзол тепла за счет внсссння в конструкцию пнрстсхннчсското состазо. который Еоспламе-
нястся в заданный момент времени инициирующим тепловым импульсом и прогревает материал конструкции
Л«» irMnrpaiyjihi ни чили тргнии [?]
D [L] з качестве композиций. горение которых должно степь источником тепла для прогрева материала головного обтекателя, рассмотрены двухкомпонентные пиротехнические составы активного порошкообразного металла {Mf>, Al, 7>) с перхлоратом пти хлоратом калия.
D [2] рассматривались смесн порошкообразных активных металлов (№& Л?) с оксидами менее активных металлов (МпО; V-Oj; Сг:0>; MnjO,MoOj СоО; Fo;0=; МпО*). Это широко известные системы, применяемые в различных областях техники L3J. вплоть до сварки стальных рельс и т.п. Однако героине рассмотренных з [1. 2]
ии}к)1гхничг:-кик с.<х:ганок ГОИрОНОЛДаГН * .ЧНЯЧШГЛЬНЫМ I а.ЧОКЫМГЛГНИГМ
Для осуществления поставленной в [1т 2] задачи необходимо практически полностью исключить пли максимально снизить газовыдслсннс во время горения пиротехнического состава, так как это может привести к
С-1ГДуЮ1ЦИМ НП ЛГККНЫМ ИОСЛГДПККЧМ [Я]
a) унос части тепла о горячим газом:
b) образование вксокопористого рыхлого продукта. который может крошиться. отщепляться от основной
МЖ ГК1, ГГМ CaVhlM ГЛК жгунси-н IMUI11,
в) дополнительное (к атмосферное) газодинамическое воздействие. приводящее к разрушению створок головного обтекателя на крупные фрагменты.
Нсобходнмс провести экспериментальные исследования по поиску высокотемпературных малогазовых пиротехнических составов для сянгания конструкции спорок головного обтекателя н исследование влияния ме-хапнчески активнровашпех составов на основные параметры горения системы :<створка головного обтекателя-пирогехнический состав».
На первом этапе экспериментальных исследований для решения поставленной задачи предлагается применить шфогехшгчеекни состав В4С Т1, который прошёл предварительную механическую актнвашпо в плапегар ной шайкой мглкнкцг ГТрикIкчггкн »«1 кггк игглгдикакнмх на с»»днмшний дгнк :п«г1г]м1ичп:хих пкггаках обнаружено, что при использовании механической активации происходит снижение температуры инициирования самораспространяющейся химической рсекцнн на сот»: градусов [4].
В КМЧГСГНГ ГЖИ171Г\ЛЫХ :4ЛГМГНИ1К К[!НГЦ1у<ЦИИ ПМ^ХЖ П1ШЖН01Ч» ()Гт|ГКЯ1ГЛН 111>Г.1Ц1Л1 ИГ-Ц * рЛС'1М<11|>Г1Ь
а) плаепшу из углепластика;
6} двухслойную конструкцию «углепластик I алюминиевая сотовая конструкция ;.
На последующих этапах исследования будег проведено обоснование выбора оптимального пиротехнического состава, а также сформулированы требоваш1я по количеству газовыделешш для казкдого состава.
Исходя нз литературных данных н результатов предварительных экспериментов. в качество пнротехничс-гк<1Ш гопака кы1)[:инг1 гипгма Н'Г-Т] В :гши гигггмг Iкм*Л(Г нргдклри 1г.лк-тй мгхинннггкой ак шк.н ии игход-ных порошковых смесей удается реализовать т н. «безгазовын» режим горения.
Для приготовления исходных реакционных смесей использовались: тнтан марки Г1Ш-Ь (У'АЗЬ% '1*1) н карбид Гютк! В<0 (ГОСТ Я£47-59 и ^>744-6?) Мгх*ничг:-кую аника шк> исходных ргмкцигнчых гмптй мрпко; .или к планетарной шаровой мельнице АТС—2 с водяным охлаждением [4]. Объем каждого нз двух стальных барабанов мельницы 16и см '. Диаметр шаров 8 мм. масса шаров в каждом бараЬсшс 2С0 г. масса образна 10 г. Иснгро-бгжниг угкецкгниг пмрпк 400 мс" (40 р) Дли иргдш к]ын1.гнн« окиглгним ко к]*-ми мгхиничгсхий а<шк-1ции ба-
Рис. L. Трехслойная конструкция створок головного обтекателя: 1 - алюминиевая сотовая конструкция; 2, 3 - обшивки из углепластика
П. ПОСТАНОВКА 3.\ДАЧИ
Ш. Теория
раба:1ы с образцами заполнялась аргоном. Поел? механической активации образцы выгружались го барабанов в ооксс е аргоном. Время активации / минут.
Для определения температуры инициирования химической реакции использовалась методика теплового
керыкн Эти чкенеркмен i ы щюнедечы щ:и н-щ:еке к индукционной ИеЧИ мгхйнинп ки мн икиронанчы* обра-с-пов со скоростью 3$ град/мин в аргоне по методике, использованной в работе [4]. 3 результате установлено, что после 5-7 мин механической активации значения температуры инициирования равны 640-65 0°С'. Эта значения позволяют инициировать горение с использованием одной только инхромовой спирали как на воздухе, гак к в аргоне без использования запальных составов.
Реакционны г смеси исх ле механической акгинации и процу&гы геплокот к<рык* исследокались с помсыцкю ренттенофазового анализа н сканирующей электронной микроскопии. Рентгенограммы снимались на днфрак-тометрах Д1Н_ХН-4.и и L) 8 ADVANCE (Bmkcr] с использованном l'u К^ излучения. Элсктронно-мнкроекопичсс-ксе изучение проведено на сканирующих микроскопах ТМ-1000 и S-3400 N (Hitachi).
В :нксиг|]имен1ах исполнчонал жь кап оорачцы насыоной шшншп«. гак и нрессоканные оиращы Так как механически активированные образцы плохо прессуются, для получения прессовок (прямоугольной формы с размерами J 5x40x8 мм) к исходному образцу массой 10-11 г добавляли неболыпое количество 3 % раствора поливинилового спирта в воде. Загсем образцы сушили на воздухе при температуре 30 35°С в течение 10 12
Скорость горения прессованных образцов пиротехнического состава, как в аргоне, так и на воздухе равна 8+1Э ми'с На рис. 2 приведен результат предварительного эксперимента по определению температуры горения по воздухе при зажп-ашш с помощью СО; лазера прессованного образца R»C+1 Ti. Для измерении использова лась вольфрам-реннсзая термопара диаметром 50 мкм. вставленная на поверхность раздела двух плоских прессованных образцов. Видно, что максимальная температура в Еолне горения достигает 2350 °С.
563)
:оз)
15J)
Р
11» I-
5J]---
U 1 1 i г z
U
Рис. 2. Термограмма горения пиротехнического состава BjC—4Ti на но.хдухе
Предварительные эксперименты проведены на образцах двух составов, отличающихся содержанием гитана: BjC + х Ti, где х = 4 нлн 5.
TV PF.TST.tbta ТЫ 'WCTTFPHMFHTA
Проведены предварительные эксперименты по использованию исследуемого пиротехнического состава для сжигания небольших образцов реальных створок головного обтекателя. Для эгнх экспериментов использовались как образцы обшивок из углепластика, так н оЬрсзцы из алюминиевых coi на поверхности с ошибки углепластика. Проведено три вида экспериментов:
1 Пластинки onnTVRVH из утлечгягтика с размерами 1 мм) н массой 1 г помещались r загкптеу
из порошка механически активированного образца пиротехнического состава B4C+4Ti массой ID г.
2. Пнротехшпескин состав B^OHTi засыпался в алюминиевые соты, расположенные па поверхности об шивкн углепластика.
3 Пиротехнический состав D(C 14Ti с добавлением небольшого количества пластификатора (5 % раствора оолининилошии сиирга) иабиналги с небольшим уплощением к алшминиекме сшы. ртиаюжгкнмг на поверхности обшивки углепластика.
В результате экспериментов по сжиганию этих ссорок установлено, что прн любом спосоЬс организации эксперимента и независимо от состава газовой среды (аргон или воздух) происходит полнее выгорание полимерной составляющей из обпшвки углепластика. остаются легко отделяющиеся друг от друга тонкие пластшпсн игхпдной 1}К?|[>и окой 1:сн;шк
Во время горения образуется большое количество дыма н конденсата черного цвета. На рис. 3 приведена фотография этих продуктов горения, покрытых толстым слоем копоти черного света.
Рас. 3. фотография продуктов герення
(глгки ПЛИПИНКИ И.ч 1]»ифиИ1МЖ 1КЙНи)
Прк проведении экспериментов '2). (3) регистрируется полное выгорание алюминиевых сот. Па их месте остаются продукты горения исходной шихты в виде слоистых цилиндриков (рнс. 4). Эти етолбнкн легко отделяются друг от друге. От о сшивки нз утлшластнкс остаются только отдельные графитовые пластинки.
Рнс. 4. Фотография продуктов герення алюминиевых сот
V. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
По дачным |гн11гн(м[ш«но иннми:« продукты гп^яннх пирсптэсничггмш) питакл к«» итх ¡ргч ментах состоят только из смеси ТФ^+ЪС (рис. 5). В зависимости от типа эксперимента изменяется только относительное содержание этих двух фаз. Отметим что независимо от состава исходной реакционной смеси и способа загрузки смесей в алюминиевые соты (сухие смесн или смеси на Р/с растворе поливинилового спирта), на рентгенограммах продуктов сгорания образцов отсутствуют сколько-нибудь заметные линии оксида алюминия. или более сложных оксидных фаз. содержащих, алюминии. Возможной причиной отсутствия этих фаз в продуктах сгорания может сыть ооразованнс и унос газообразных суооксидов алюмннкя (А10> н АЮ) при температурах горения используемых механически активированных составов.
В планируемых экспериментах будет проводиться визуализация процесса горегшя с целью регистрации ка
рИЫГрИ ]>Г"И1И]К»К?1НИИ И) К 1МИНИГКЫЧ ГСП
эээ -
5ээ
OD-
2DD
J-
'Wv
♦ TiC
• tir.
-Г" 20
"Г-
ээ
4С
—I— 50
¿H
зэ
80
Риг ^ TYh 1ГГН<1|раММг1 11]!ОДуКГОК СПКИНИЧ
механически активированных образцов ПС в сотах
Как следует из данных рептгепофззпого анализа (рис. У» состоят эти продукты только из кароида (TiC) и ди бэрпда (TiD>) титана. Температура плавления TiC равна = 3017°С. a TiDj - 2920°С. Но согласно данным [5]. в си[-|гмг TiC-TiR; гушгегкуп чкгечика и]ж Iсм к-ратуре 735Я- 3hrnrjiMvirwi7UihH(> KOiqrHHini irMiirpa-
тура равна 2350 °С (рис. 2).
Полученные результата свидетельствуют. что горение исследованного механически активированного состава является малогазовым. Сжигание па воздухе помещенного в алгомшшевые соты активированного состава D4C14Ti привело к полному выгоранию алюминия и пелимерной матрицы в углепластнховой оепшвке створки юловнию o6ieKtije.Di
Эти результаты голу^ены при 1 атхт давления аргона или воздуха Для изучения особенностей их трения прн пожженных давлениях воздуха необходимы дополнительные эксперименты.
VI Вые оды и заключение
Прокгдгна шхгининки чадлни исглгдокинин и на мерном 4 га иг гг ¡тли-мции получен->1 елгду книиг ргчулк-таты.
1. Проведенные предварительные эксперименты показали возможность использования пиротехнического состава типа В^С+'Ш для решешш задачи по сжшапшо элементов конструкции стоорок головного обтекателя.
Рассматриваемый пиротехнический состав позволяет достичь возможного диспергирования элемента хон-стр>киин створки головного обтекателя, однако отрицательным результатом язляется наличке конденскрован-
НЫХ 1ПХ1ДуК ЮК РГ.-1К11И л
2. В зависимости от ферхш размещения пиротехнического состава на исследуемом элементе, расиоложе-шк состава в алюминиевом сотовом заполнителе лрпзедиг к максимальном',' разрушению элемента коиструк
Эти результаты получены прн атмосферном давлении воздуха к диффузионном притоке кислорода. Однако неж но, как (¡удегг кчаимодейггнокзпъ .<|анный ии]кнгхничгский счмпин г конпрукпнгй г I норок пыокного оГлг-кателя прн движении по траектории спуска при различных давлениях, в том числе пониженном, н концентрациях кислорода.
3. На последующих этапа?: исследования необходимо сформулировать количественные критериальные тре бовання к гпзовыдслсншо пиротехнического состаза и обоснование выбора возможных состпеов для ех последующе! с ксиильзовання в сисхсме ксхнорха головною обхекгиеоя - ииршгаиипешш сисгдо».
Таким образом, приведенные данные позволяют надеяться что ягго направление может предстанлятк интерес, как один из возможных подходов для решения стоящих задач сжигания конструкции створок головного обтекателя.
Исследования проводились при поддержке ¿ранта РНФ au проекту «Разработки нцучни-тихлическил основ сжигания отделяющихся элементов конструкций ракет космического назначения с целью снижения площадей районов их падения» Соглашение № 16-19-10001 от 18.05.2016 г.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Пат. 2 581 636 Российская Федерация. МПК Б 42 В 10/46, В 64 О 1/64. Головной обтекатель ракеты / Трушляков В Н., Шатров Л Т., Лемперт Д Б, Иордан Ю Зарко В.Е. № 2015105466 11 заявл. 17 02.2015; опубл. 20 04.2016, Бюл.№ 11
2. Лемперт Д. Б., Тр>тплякоъ В. И_, Зарко В. Е. Оценка массы термитно- зажигательных смесей для сжигания головных обтекателей ракет космического назначения при спуске в плотных слоях атмосферы // Физика горения н взрыва. 2015. Т. 51. № 5. С. 121-125.
3. Мельников В Э. Современная пиротехника М.: Наука, 2014. 480 с.
4. Корчагин М. А. Тепловой взрыв в механически активированных низкокалорийных составах// Физика горения и взрыва. 2015. Т. 51, № 5. С. 77-86.
5. Свойства, получение и применение тугоплавких соединений: справочник / под. ред. Т.Я. Косо лаповой. М.: Металлургия. 1986. 928 с.
