Prilog analizi procesa sagorevanja dvobaznih raketnih goriva Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Mr Panto Maslak,

dipt. inž.

PRILOG ANALIZl PROCESA SAGOREVANJA DVOBAZNIH RAKETNIH GOR1YA

UDC: 621.45.07-6 : 662.611

Rezime:

Istraiivanja opisana и ovom radu obuhvatila su proučavanje kotali'ičke aktivnosti balistićkih modifikatora i proces xagorevanja dvobaznih raketnih goriva. Sagorevanje ćvrstih raketnih goriva jedan je od najshienijih vidova sagorevanja. Svaio sagorevanje predstavlja se hemijskim reakcijama pa bi hemijska kinetika trebalo da ima glavnu ulogu и teoriji sagorevanja. Medutim. kod raketnih motora sagorevanje je iestc vrlo sloieno. Zakonitosti hemijske kinetike tada su и drugom planu. a primarne su zakonitosti toplotne provodljivosti i gasodinamike.

Kijučne red: dvobazna raketna goriva. brzina sagorevanja, teorija sagorevanja.

CONTRIBUTION TO THE ANALYSIS OF BURNING OF DOUBLE BASE PROPELLANTS

Summary-

The investigation included studies of catalytic activities of ballistic modificators and the process of burning of double base propellants. Burning of solid rocket propellants in one of the most complex types of burning. As it is known, any kind of burning vs presented by chemical reactions and therefore chemical kinetics should ploy the basic role in the theory of burning. But. in rocket motors, burning is often complex and its character is chang eable The laws of chemical kinetics, therefores yield before the laws of thermal conduction and gas-dynamics.

Key words: double base propellants, burning rote, the theory of burning.

Uvod

Raketni baniti ili homogena dvobazna raketna goriva (DRG) čvrste su kolo-idne smeše kojc sagorevaju u odsustvu kiseonika. U svom sastavu imaju sledećc konstituente: nitrocelulozu, nitroglicerin ili dinitroglikol, odnosno njima slične ni-troestre, stabilizatore procesa autokatali-

tičkog raziaganja aktivnih komponenata, interne plastifikatore (dietilftalat, dibutil-ftalat, dinitrotoluen i dr.), koji omoguća-vaju bolju tehnološku obradljivost, i adi-tive (modifikatore) brane sagorevanja DRG.

Postoji više tipova balističkih modifikatora čiji su efekti različiti u zavisnosti od njihovih svojstava, načina dclovanja i

62

VOJNOTF.HNICKJ GLASNIK 1/2003.

ciljeva koji se žele postići. Balistički rno-difikatori u osnovnim sastavima (jaka smeSa - JS) DRG omogućavaju da se re-guliše nivo brzina sagorevanja ovih po-gonskih maierija, i da se istovremeno smanje vrednosti temperatumog koefici-jenta i eksponenta pritiska. Tako je mo-guće, u oblastima pritisaka značajnim za rad raketnih motora, dostići vrednosti eksponenta pritiska Cija je vrednost pri-bližno mala.

Modifikatori koji omogućavaju da se ostvare zahtevani efekti jesu jedinjenja olova i jedinjenja bakra pridružena jedi-njenjima olova. Njihov uticaj zavisi od osobina i udela ovih supstanci, kao i od energetskih potencijala osnovnih sastava [3,4, 5,6J.

Teorija sagorevanja dvobaznih

raketnih goriva

Mehanizam sagorevanja dvobaznih

raketnih goriva

Karakteristike sagorevanja dvobaznih raketnih goriva su sledeće:

- u procesu sagorevanja čvrstog ra-ketnog goriva dolazi do predgrevanja na odredenoj dubini od povrSine sagorevanja, a površinski sloj se topi;

- hemijske reakcije razlaganja i oksi-dacije komponenata goriva započinju u Cvrstoj fazi, a zavrSavaju se u gasnoj fazi;

- kao posledica intenzivnog zagre-vanja teCne faze, i u njoj obrazovanja ga-snih produkata, sloj na površini ima pc-nastu strukturu (u novijoj literaturi super-ficialna zona), gde je temperature dovolj-no visoka za molekulsko razlaganje ni-troestara u raketnom gorivu;

- simultana rekombinacija dogada se tako da se stvara smeša NO,, aldehida, kao i NO na površini sagorevanja. Ukup-ni energetski bilans razlaganja u ovoj fazi je egzoterman;

- temperature na površini sagorevanja nije visoka, najčešće od 600 К do 900 K;

- istovremeno, sa isparavanjem teCne faze dolazi do dispergovanja čvrstih Čestica goriva u penastom sloju. Obrazo-vane aerosolne čestice, srazmemo udalje-nosti od povrSine sagorevanja, smanjuju se i na kraju sasvim nestaju.

Gasna faza deli se na dve zone: ,,tamnu“, sa maksimalnom temperaturom od 1700 К do 1900 К (u novijoj literaturi poznatija kao „fizz zona“ i „primami pla-men“, i „svetlu" koju predstavlja sekun-dami plamcn sa maksimalnom temperaturom od 2500 К do 3500 K.

Podela na zone ima uslovni karakter pošto stvami procesi zona nisu uvek izra-ženi, a fizičko-hcmijski procesi mogu te-ći paralelno.

Čvrsta raketna goriva sagorevaju slojevito, paralelno sa površinom sagorevanja. Brzina promcne položaja goreće povrSine, odnosno brzina kretanja plamc-na, definiSe iineamu brzinu sagorevanja, tj. brzinu sagorevanja čvrstog raketnog goriva [6, 7].

Brzina sagorevanja uslovljena je br-zinom predavanja toplotc od gorećih produkata sagorevanja (plamen) na površinu goriva. Ona zavisi od sastava goriva, pritiska u komori motora, brzine gasovitih produkata duž gorcće povrSine i od po-Cetne temperature goriva.

Debljina zone sagorevanja veoma je mala, što istraživanja tfni težim i složeni-jim, kao i korišćenje termoparova veliči-

VOJNOTEHNlCKI GLASNIK 1/2003.

63

ne nekoliko mikrometara. Radi boljcg razumevanja zone sagorevanja, njene osnovne veličine prikazane su u tabeli (po Zeninu [1, 8]). Na slid 2 šematski je prikazana zona sagorevanja po modelu Parr-Crawforda [7].

Sastav goriva odredujc toplotni efe-kat reakeije, temperaturu sagorevanja, fi-zička svojstva, debljinu tečnog sloja, in-dukeioni period i širinu pretplamcne ili dimno-gasne faze, brzinu hemijskih reak-cija i Sirinu reakeione zone, tj. sve fakto-re od kojih zavisi gradijent temperature u zoni sagorevanja. Šema sagorevanja Cvr-stog raketnog goriva i karakter promene temperature, u opStem obliku predsta-vljeni su na slici! [1].

Homogena dvobazna raketna goriva imaju kontrolisan plamen, definisan jed-nodimenzionim hemijskim procesom, za razliku od trodimenzionih kompleksnih difuzionih procesa kod kompozitnih goriva. Plamen dvobaznih raketnih goriva može da se ispituje teorijski i eksperi-

5/. / - Serna sagorevanja čvrsfog raketnog goriva:

i - čvrsta /ага, 2 - tečni sloj, 3 - dimno-gasna zona (pretplamenih reakeija), 4 - reakeiona zona (plamena), 5 - гопа maksimalne temperature. To - početna temperature goriva, Tg - temperatura sagorevanja

■*■»*» .v<>.<v .v,.C0w.ya

K()N(K -> + -> H('H') -*

.vo,

SI. 2 - Model Crawforda i Parra

mentalno. Medutim, u plamenu ovih ma-terija postoje mnoge hemijske reakeije čija struktura do danas nijc poznata.

Proces sagorevanja masc DRG od-vija se kroz celokupnu zapreminu, medutim, radi jednostavnije teorijsko-matema-tičkc analize prikazujc se u jednoj ravni. OpSte zakonitosti hemijske kinetike u procesu sagorevanja mogu se prikazati po zonama.

U zoni ,,pene“ (A) odvija se reakeija razlaganja nitroestara opSteg tipa:

rono2—rcho+no2

Najslabija veza kod nitroceluioze i nitro-glicerina je O-N. Imajuci u vidu da je to primami stepen od kojeg zavisi brzina hemijske reakeije, reakeija je monomole-kulska. Pošto je koncentracija ovih veza definisana početnim sastavom, konačan red reakeije je nulti. Pri ovom razlaganju oslobada se energija koja se troši na dis-pergovanje čvrste faze, isparavanje i to-pljenjc ostalih komponer.ata sastava goriva [5, 8].

U tamnoj zoni (B) nastali čvrsti i gasoviti produkti C, NO, NCHO, CO,

64

VOJNOTEHMCKI GLASNIK 1/2003.

Osnovne veliiine zone sagorevanja kod gonva N

Tabela

Pritisak (bar) 10 "Г0 1 30 50 75 100

V (mnVs) 1,9 3.0 4.8 6.7 8.5 10.6

m. (kg/nvs) 3,0 4.8 7.7 10.7 13.6 17.0

T.OO 573 620 643 673 698 718

T.(M . 1920 2020 2280 2330 2330

Zona predgrevanja (merena) (pm) 60 35 - 23 - 20

Vreme boravka u zoni predgrevanja (mereno/izraćunato) (ms) 140/155 ♦ - 50 - 45

Superficijalna zona razlaganja (pm) 9 - 3 - 2

Vreme boravka u superficiialnoj zoni (ms) 5 . - 0.4 0,15

Debljina plamena (merena) (pm) 200 • • 75 - no

HA R‘CHO, NA HCN, C2H2 i drugi, medusobno reaguju prema reakciji dru-gogreda. Pojedini stručnjaci [10) smatra-ju da su reakcije u tarnnoj zoni podložne katalitičkim uticajima i da su verovainije reakcije adicije od reakcija oksidacije.

U zoni plamena (C) najverovatnije su lančane reakcije izmedu radikala. ka-da nastaju stabilni produkti krajnjeg sagorevanja (N2, H20( CO, CO,, H2), pri čemu se dosliže krajnja temperatura sagorevanja - temperatura plamena koja je vi5a od 2000 K.

Mehanizam koji uslovljava ove pro-mene u procesu sagorevanja teSko je opi-sati čak i kvalitativno, samim tim Sto ni opšti model sagorevanja dvobaznih ra-ketnih goriva ncma dovoljno relcvantnih parametara za adekvatno definisanjc me-hanizma sagorevanja.

Proučavanje mehanizma sagorevanja goriva sa plato efektom predmet je izučavanja mnogih istraživača, počev od Rice i Ginela koji ističu ulegnućc na gra-fu pritisak - brzina, čija Sirina zavisi od početne temperature goriva. Kasnija is-traživanja [3] ukazuju na to da kod modi-fikovanih DRG br/.ina sagorevanja ne mora zavisiti od pritiska.

U kasnijim istraživanjima (Precke-la) rezultati su pokazali uticaj aromatič-nih jedinjenja olova na brzine sagorevanja. Primećeno je da cfikasnost olovnih jedinjenja zavisi od energijc potrebne za njihovo raspadanje. Smatra se da se Pb--stearat lakše raspada i da deluje kod goriva nižeg toplotnog potencijala, a da su kod visokoenergetskih goriva efikasnija aromatična organska jedinjenja zbog toga Sto se ona teže razlažu. Pojavu plato efekta pri sagorevanju tumačili su mnogi istraživači (Bohman, Lenchitz i Haywood, Powling, Hewkin, Kubota - Ohlcn-miller, Eisenrcich i dr.)

Eksperimentalna ispitivanja Hewki-na i Stonea [4] potvrdila su postojanjc ugljenisanc skramc sa metalnim uključci-ma u oblasti plato sagorevanja.

Uticaj katalizatora na brzine sagorevanja obimno je istraživao Kubota [5), a osnovni zaključci do kojih se došlo na osnovu cksperimcntalnih rezultata su da katalizatori sagorevanja nc menjaju kine-tiku hemijskih reakcija u tarnnoj zoni. Na povrSini sagorevanja uoCeno je postoja-nje ugljcničnih niti i sitnih ćcstica katalizatora. PoviSenje temperature u „fizz-zo-ni“ je neznatno u prisustvu katalizatora.

VOJNOTFHNICKJ GLASNIK 1/2003.

65

U zoni piamcna i tamnoj zoni nisu kon-statovane bitne promcne u prisustvu Pb jedinjcnja. Sinatra se da sc kataliza odvi-ja u „fizz-zoni", vrlo blizu povrSine sago-revanja ili nešto pre njc. Takode, konsta-tovano je da pojedini aditivi znatno po-vcćavaju temperaturu plamena, i to na pritiscima ispod 30 bara, i poboljšavaju stabilnost sagorevanja do ispod 3 bara.'

U prisustvu Pb jedinjenja konstatovan je povećan odnos COj/CO. Smatra se da je ovaj stehiometrijski odnos u ,,fizz-zoni“ po-boljSao ugljenik koji se stvara u prisustvu katalizatora. U oblasti viših pritisaka katali-zatori stvaraju manju količinu ugljenika, pa je i njihova efikasnost manja.

U prisustvu Pb soli hladno gorivo dostiže veliku superbrzinu i meza efekat, dok topla goriva imaju niže superbrzine locirane u oblasti nižih pritisaka. Veliči-na (nivo) superbrzine može zavisiti i od tehnologije izradc DRG.

Termogravimetrijska analiza olov-nih soli obavljana je tako što je količina od nekoliko miligrama DRG podvrgnuta stalnom zagrevanju, uz permanentno me-renje. Zapaženo je da na temperaturi od 573 К nema značajnijih promena na po-vršini sagorevanja goriva, i da se so raz-graduje za nekoliko minuta. Pod istim uslovima nitroceluloza bi se razgradila na 473 K. Energija aktivaeije razlaganja nitroceluloze iznosi 168 kJ/mol, a olovo stearata 126 kJ/mol, i ne postoji način da se dogodi na višim temperaturama.

Iz karakteristika Pb stearata može se odrediti da će za tipično vreme boravka u talasu sagorevanja od 10 ms, Pb-stearat dostići 973 К, tj. temperaturu razlaganja, što se dešava daleko iznad povrSine sagorevanja.

Ovi rezultati ukazuju da će se aktiv-ni deo olovne soli, PbO ostatak, naći sa-

mo jednom iznad povrSine sagorevanja, i da se tada može vezati sa ugljeničnim ostacima koji se formiraju kod nemodifi-kovanih goriva. Iz svega navedenog тоге se dobiti samo kvalitativna slika me-hanizma ,,supcrbrzina“,

Posmatranjem uzoraka pod elek-tronskim mikroskopom, i to onih koji su dobijeni brzim vakuumiranjem dok su sagorevali na različitim pritiscima, utvr-deno je da su kontrolna goriva imala iz-vesnu količinu ostatka ugljenika u oblasti pritisaka do 100 bara. Kad je dodata olovna so, količina ugljenika se znatno povećala u zoni superbrzina, da bi ncsta-la na kraju zone meza efekta.

Smatra se da povećana količina izdvo-jenog ugljenika, pri sagorevanju modifiko-vanih goriva u prisustvu Pb aditiva, potiCc od specifičnih reakeija aldchida sa PbO koji predstavlja ostatak raspadanja soli, a formi-ra se malo iznad povrSine sagorevanja.

Uloga ugljenika, u manjem udelu, zajedno sa PbS daje efekat „platoa" (znatno smanjenje vrednosti koeficijcnta n u oblasti manjih pritisaka, do 70 bara), dok veći udeo ugljenika uspešno platoni-zira goriva od 70 bara do 110 bara. Mak-simalno zasićenje ugljenika uslovljava, u kombinaeiji sa Pb solima i nekim drugim modifikalorima, plato sagorevanje DRG u područjima viših pritisaka. Uočeno je da kataliza i platonizacija zavise od od-nosa C/NO u ,,fizz“ zoni sagorevanja, i da je efekat platoa postignut kada je odnos C/NO = 1 [101.

Unutrašnjebalistički parametri

U ovom radu su ukratko analizirane brzine sagorevanja i temperatume osetlji-vosti.

66

VOINO'I bHNIČKI GLASNIK I/200J

Brzina sagorevanja čvrstog DRG je lineama brzina pomeranja granice izme-đu čvrstog goriva i gasovitih produkata njegovog razlaganja i sagorevanja.

Za kompozitna i dvobazna goriva primama reakcija stvaranja toplote odi-grava se izmedu pirolizovanih produkata sagorevanja i metala. Čvrsta goriva sago-revaju u poluzatvorenom sistemu kakav je raketni motor. Parametarska zavisnost brzine sagorevanja (V) u komori raket-nog motora (RM) može se prikazati na sledeći način:

^ = (1) odnosno

v=A(Pk)A(Tooe)f,(pV)f^yi(a) (2)

gdeje:

Pk=P0 - pritisak u komori sagorevanja; Toop - početna temperature pogonskog punjenja;

pv - specifični maseni fluks; dp/dt - brzina promene pritisaka; a - ubrzanje normalno na površinu sagorevanja.

Brzina sagorevanja u funkciji pritiska u komori RM, može se prikazati izrazom:

V = f1(Pk) = a, + b,P„ (3)

Brzine sagorevanja DRG koja u sa-stavu imaju samo nitrocelulozu, nitrogli-cerin, stabilizator i plastifikator zavisne su samo od toplotne vrednosti goriva prcma jednačini:

-1.02*0.236-2- 0.468*0.24 V 418? p 4187

(5)

Temperaturna osetljivost goriva obično se opisuje sledećim empinjskim izrazima:

г Э In V ^ (6)

a'~[ ат- J,

(d\nV\ (7)

BT J

gdeje:

op - temperaturna osetljivost V na odr-cdenom pritisku;

Oku - temperaturna osetljivost V na odredenoj vrednosti KB(Kn = Sg/At).

Zbog kompleksne zavisnosti tempcratume osetljivosti od T, P, V neo-phodno je uvesti i nove relacije kao što su:

*K*m

Э1п P ЪТ

Kn

(8)

gde je temperaturna osetljivost pritiska na odredenoj vrednosti Kn, i

Ovaj oblik lineame zavisnosti uglavnom se ne primenjuje, a najčešći je Sent-Ro-bertov zakon koji glasi:

V = bP"gdejeb = frro0P) (4)

gdc je *Vv temperaturna osetljivost na odredenoj vrednosti P/v.

VOJNOTEHNlCKJ GI.ASNIK 1/2003.

67

Polazeći od zakona brzine sagorevanja, V = bPn, gde je b = Г (Toop), i od jcdnačine ravnoiežnog pritiska u komori motora, možc se doći do izraza:

Ок0 = Op + n%„ (10)

Lako se dokazuje da viši odnosi COj/CO u gasnim produktima doprinose viSoj encrgiji katali/.ovanih goriva u oblasti supersagorcvanja. To se uočava i iz reakcije prcvođenja СО u C02, kao što je npr.:

odnosno:

а

V

1 -n

Kao шега efikasnosti balističkih mo* difikatora koristi se kocficijcnt katalitičkc aktivnosti K[ l), koji prcdstavlja odnos brzine sagorevanja goriva sa modifikatori-ma i brztne sagorevanja referentnog шо-dela DRG bez balističkih modifikatora:

h-P"'

Ь.Р~

= kP"'-"“

(H)

Diskusija

Razmatraće se uloga balističkih modifikatora u mehanizmu sagorevanja goriva.

Kod modifikovanih DRG na bazi razliCitih aditiva i pored različitih katali-tičkih aktivnosti, proccs sagorevanja uglavnom se odvija na povrSini sagorevanja ili u ,,fizz“ (tamnoj) zoni [4,10 i dr.J.

Najbolju katalitičku cfikasnost u DRG pokazuju jedinjenja olova i bakra. Prctpostavlja se da ova jedinjenja doprinose povećanoj redukciji N0 ugljenikom koji se stvara u prisustvu katalizatora. Smanjenje koncentracije N0 pomoću al-dehida, СО, H2 ili ugljenika krajnje je egzoterman proces. Ugljenik je dobar ka-talizator za mnoge gasne reakcije, a olo-vo je katalizator za CO: i ugljenik [ 10].

СО + СО —2-» C02 + C (Čvrsti)

ДН =-171,6 KJ/mol

СО + HCHO —C02+C (čvrsti)+H2 ДН=-167,5 KJ/mol

СО 4 N0 —^ СОг I- I/2N,

ДН--372,5 KJ/mol

Н2С02РЬ — СО, 4 Н2 4 РЬ

Svaka od ovih reakcija js egzotermna i uti-če na povećanje temperature sagorevanja.

Na prvi pogled, činjenica da je kata-liza sa jedinjenjima olova bolja (veća) na 20 ili 40 bara nego na 1 bar, može ukazati da je aktivnost katalizatora locirana u se-kundamoj zoni plamena (kao Sto je i pred-ložio Camp). Medutim, to je demantova-no u [5], a takode nije saglasno sa vclikim brojcm eksperimentalnih rezullata. U stvari, kataliza se uglavnom odvija na povrSini sagorevanja i/ili u „fizz** zoni.

Kubota 15, 8] je pokazao da goriva sa olovnim modifikatorima pokazuju ste-penasti gradijent temperature u „fizz44 zoni, i pretpostavio da je uzrok tome pove-ćanje N02 (odnos aldehida koji je proizi-šao iz povećanja stvaranja ugljenika na povrSini). Takode, pretpostavio jc da kataliza ne mcnja toplotni efekat čvrste faze i ukazao na to da stepenasti tempera-tumi gradijent utiče na veeu toplotnu provodljivost ka povrSini. Stvaranjc ugljenika, ili rclativno povećano stvara-

68

VOJNOTtHNtCKI GLASNIK 1/200J.

nje C02 u odnosu na CO, jcste cgzotcr-man proces, Mo uslovljava pojavu viših temperatura gasova koji ulaze u ,,fizz“ zonu, a samim tim i brže reakcije u ovoj zoni.

Redukcija NO uslovljava povećanje udela CO, u odnosu na CO i favorizuje stvaranje ugljenika na površini sagoreva-nja. S druge strane, ugljcnik i relativno povećano stvaranje C02 u odnosu na CO je egzotermni proccs i uslovljava povcća-nje temperature gasova koji ulaze u ,,fizz“ zonu, usled Čcga sc povećava brzi-na reakcije u ovoj zoni.

Oblast platoa pojavljujc se usled smanjenja udela ugljenika. Možc se pret-postaviti da kataliza i platonizacija zavise od odnosa C i NO u zoni ,,pcnušanja“ („fizz" zoni), kao Mo je prikazano slcde-ćim odnosima [10]:

- ako je C/NO vcće od I radi se о području superbrzog sagorevanja;

- ako je C/NO = 1 radi se о područ-ju plato - meza sagorevanja;

- ako je C/NO manje od l radi se о području post plato sagorevanja.

U oblasti plato - meza sagorevanja dvobazna raketna goriva imaju mali koefieijent temperatumc osctljivosti,

odnosno (Tp -

Ovaj mehanizam superbrzog sagorevanja je u saglasnosti sa eksperimental-no-teoretskim radovima. Proračuni su ra-deni pod pretpostavkom da sc transfor-maeija ugljenika u CO, azota u NO i 50% vodonika u H20 ostvaruje u ,.fizz“ zoni. Dalji rezultati, u zavisnosti od udela ugljenika, povoljno dcluju na katalizu i platonizaciju DRG u prisustvu olovnih jedinjenja i podržavaju ovaj proces. Čak

0,2 dela ugljenika, zajedno sa baznim olovo-stearatom, daje plato cfekat (znat-no smanjenje kocficijcr.ta n u oblasti ma-njih pritisaka - do 70 bara), dok udeo preko 0,5 dela ugljenika sa olovnim soli-ma stvara plato efekat i do 150 bara. Po-većanje koncentracije ugljenika iznad 0,5 delova poboljSava efekat i preko 150 bara. Preporučuje se da se odnos C prema NO održava konstantnim (око 1) (10].

Analizom ispitivanih opitnih mode-la u cksperimentalnim istraživanjima ($) i iz prethodnih zapažanja možc se kon-statovati sledeće:

- efekat balističkih modifikatora (metalne organske soli ili metalni oksidi olova i bakra) jeste, najverovatnije, prou-zrokovan hemijskom interakeijom, koja započinje stvaranjem površinskog kom-plcksa, na primer olovnog oksida iii diso-ciranog olovnog jedinjenja, na kisconič-nom ostatku disocirane gorivne kompo-nente;

- u katalizovanom gorivu stvara se znatno guSći sloj na povrSini sagorevanja. On se formira inierakcijom izmedu aldehida i PbO čestica uhvaćenih u uglje-ničnom ostatku. To može ubr/ati reakcije NO - ugljenik, a očekivane su slcdećc:

NO t C — CO f l/2N2, AH = - 6698 J/g

2NO » C -* C02 + N2, ДН « -9628 J/g

Ove cgzotermne reakcije povećavaju temperaturu plamena i dovode do uveća-nja toplotnog fluksa na površini goriva [5,81;

- na vrednost brzine sagorevanja utičc hemijski sastav goriva, zračenje i maseni protok vrelih gasova (pV).

VOJNOTHHNICKI GI-ASNIK 1/2003.

69

Najveći uticaj na brzinu sagorevanja ima hemijski sastav goriva. U principu, najbržc sagorevaju ona goriva pri čijem se sagorevanju oslobađa najveća energi-ja, medutim modifikovana goriva sa pla-to i meza efektom znatno odstupaju od prikazanih zavisnosti brzine sagorevanja i toplotne moći. Povećan toplotni efekat čvrste fazc, zajedno sa povećanim kon-duktivnim prenosom toplote na površinu, takode su uslovljeni katalitičkom aktiv-nošću Pb jedinjenja.

U slučaju goriva veće toplotne mo-ći, sa umerenom superbrzinom, nakon koje nastaje plato efekat, stvara se znatno veća koncentracija ugljenika, što je vero-vatno uslovljeno interakcijom aldehida i čestica PbO zadržanih u ostacima ugljenika. To može podstaći reakcije N0 -ugljenik, proizvesti više temperature pla-mena i dovesti do uvećanja toplote reakcije, bliže površini. Brzina sagorevanja modifikovanih goriva može biti i ispod brzine sagorevanja osnovnog goriva. Tragove toplog crvenog ostatka koji su odbačeni sa površine uočili su u oblasti platoa i više Eisenreich i Kubot. Ovaj gu-bitak ugljcnika može dovesti do smanje-nja reakcijc NO - ugljenik i odgovaraju-ćeg smanjenja brzine sagorevanja.

Kod hladnih goriva više ugljenika se stvara čak i kod osnovnog goriva, tako da $u uočeni relativno debeli ostaci ugljenika nakon sagorevanja. Posmatranjem sagorevanja (Eisenreich, Hawkin) uočeno je da sekundami svetli plamen doseže do površi-ne. U većini slučajeva plamen se fizički dr-ži za povrSinu debelim slojem ugljenika. Buran kraj superbrzinc sa jasnim meza efektom može biti uzrokovan pucanjem debelog ostatka. Dodatkom ugljenika pro-širnje sc oblast superbrzina.

Idući naviše uz plamen, atmosfera toplog NO postaje sve bliža površini, ko-ja apsorbuje ugljenik i eliminiSe moguć-nost bilo kakve intcrakcije ugljenikovih ostataka na visokim pritiscima. Vizucl-nim preglcdom utvrdeno je da površina ostaje bez ugljenika na višim pritiscima (preko 300 bara) (5).

Zaključak

Osnovni uticaj na mehanizam sagorevanja dvobaznih raketnih goriva ima njegov hemijski sastav.

Najbrže sagorevaju ona goriva koja u tom procesu oslobadaju najvedu ener-giju, međutim, modifikovana goriva sa plato i meza efektom znatno odstupaju od prikazanih zavisnosti brzine sagorevanja i toplotne moći, tako da zakoni termo i gasodinamike mogu imati i dominantni-ji uticaj u procesu sagorevanja.

Toplotni efekti čvrste faze, zajedno sa povedanim konduk'.ivnim prenosom toplote na površinu, takode su uslovijeni katalitičkom aktivnošću olovnih jedinjenja i drugih balističkih modifikatora.

Kod dvobaznih goriva većc toplotne moći, sa umerenom superbrzinom sagorevanja nakon koje naitazi plato efekat, stvara se mnogo veća koncentracija ugljenika, što je verovatno uslovljeno interakcijom aldehida i čestica PbO zadrža-nih u ostacima ugljenika.

Plamen sagorevanja fizički se drti za površinu debelim slojem ugljenika, pa se dodavanjem ugljenika, kao balističkog modifikatora, proširuje oblast super brzina sagorevanja. Vizuelnim pregledom utvrdeno je da povrSina ostaje bez ugljenika na pritiscima preko 300 bara.

70

VOJNOTEHNlCKI GLASN1K 1/2005.

Uteraturu.

111 A. I., Grigorijev: Tvcrdije rakctnije topliva, Izdateljstvo Himija, Moskva, 1969

(2) A. S., Ajxkoeov Fizaks Gorenjija i Vzriva. (977,4 ($76-584).

(3) R. F.. Preckel: ARS Journal, vol. 31, No 8,1961.1286.

(4) D.Hewkin: Vetbrennungsvocgange bci Treib und Bren-nstoffen. 1974., 35.

[51 N.. Kubota. T J . Ohlemiller. L H . Cavcnу; M, Sumerfi-eld: Л1АА Journal, vol. 12. No 2.1974,1709.

(6) Lews, J.: The efect of Proccsing Variations on the Balistics of Fast-Burning, Ekstrudcd, Double Base Propellants,

A1AA/SAE 14-th Joint Propulskn Conference, Las Vegas, NEV/Juli 25-27.1978

[7| R. C., Parr; B. L. Crawford: Tic Journal of Physical and Colloid Chemistry. 1950.929

|8] P., Maslak: Uporedno ispitivanje različitih baltstiCkih mo-difikatore u dvobaznim barutirm, Magistarski red. TMF, Beograd, 1990. god.

(91 К. C . Salooja: Combustion Flaire 11.247 (1967).

110) S., Hardwar; K . Rao: Mechanism of Combustion of Catalyzed DoubleBasePropellants. Combustion and Flame 71:205-213(1988).

VOJNOTEITNIĆKI GLASNIK 1/2003.

71