CC BY
107
Электронное научно-техническое издание
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эя №ФС 77 - 30569. Государственная регистрация №0421100025.155Н 1994-040В_
Результаты исследования и разработки низкотемпературных быстрогорящих газогенерирующих топлив для систем перемещения элементов исполнительных механизмов
77-30569/299736
# 02, февраль 2012
Шабунин А. И., Калинин С. В., Сарабьев В. И., Ягодников Д. А., Полянский А. Р.
УДК 662.1:621.455
ОАО «ФНПЦ «НИИ прикладной химии» МГТУ им. Н.Э. Баумана о1ё11 niiph@mail.ru daj@mx.bmstu.ru кого!еу 100-гё@таП. ги
НБГТ в составе ГГ широко используются в оборонной и гражданской отраслях промышленности в качестве источника низкотемпературного смешанного газа. Например, газогенераторы, снаряженные зарядами НБГТ, применяются в системах ПЭИМ, устройствах раскрутки ротора турбореактивных двигателей, для вытеснения жидкости в системах пожаротушения, наддува аварийно-спасательных средств и т.д.
Широкая сфера применения ГГ, снаряженных зарядами НБГТ, обусловлена рядом их преимуществ по сравнению с другими источниками низкотемпературного газа. К числу таких преимуществ следует отнести высокую надёжность, компактность, постоянную готовность к действию, быстроту срабатывания, высокую удельную газопроизводительность, работоспособность в различных условиях, способность к длительному хранению. Таким образом, широкое применение ГГ в военной технике и хозяйственных отраслях позволяет говорить об актуальности исследования и разработки НБГТ.
Специфика работы объектов, в которых применяются заряды НБГТ, обусловливает необходимость обеспечения соответствия их термодинамических, баллистических и физико-механических характеристик комплексу предъявляемых требований.
Термодинамические характеристики НБГТ должны обеспечивать высокие значения газопроизводительности Ж и работоспособности ЯТ, а также иметь низкие значения температуры горения Тгор, теплоты сгорания Qсг, молярной массы газов / и количества конденсированной фазы г. Низкая температура горения топлив (Тгор < 1700 К)
необходима для сохранности перемещаемых элементов исполнительных механизмов. Баллистические характеристики НБГТ должны обеспечивать получение высокой скорости горения U и сравнительно низких значений показателя степени v в зависимости U(p). Наличие последнего требования обусловлено необходимостью обеспечения стабильного горения топлива в широком диапазоне давлений, что снижает возможность возникновения аномального режима работы ГГ. Физико-механические характеристики топлив должны соответствовать требованиям достижения высокой прочности при сжатии ои и растяжении изгибающим моментом осж. Данное требование является особенно актуальным для зарядов НБГТ, используемых в ГГ СОЗР, т. к. рабочее давление в их камере сгорания (КС) имеет высокие значения (ркс < 55 МПа). Применение в указанных условиях топлив с низкой прочностью повышает опасность перехода режима горения из послойного в объёмный, что приводит к разрушению эксплуатируемого объекта.
Главная проблема, возникающая при разработке НБГТ, заключается в том, что при снижении температуры горения происходит уменьшение скорости горения топлив. С целью обеспечения высокой скорости горения НБГТ при сохранении низкой температуры горения было проведено исследование, предусматривающее включение в топливные рецептуры следующих модификаторов: бихромат аммония (БХА) (NH4)2Cr2O7, бихромат калия (БХК) ^^^^оксид ванадия (V) (ОВН) V2O5, оксид висмута (III) (ОВС) Bi2O3, оксид никеля (II) (ОНК) NiO, оксид молибдена (ОМЛ) (VI) MoO3, оксид титана (ОТТ) (IV) TiO2, оксид хрома (ОХР) (III) Cr2O3, оксид циркония (ОЦР) ZrO2, оксид вольфрама (ОВЛ) (VI) WO3, оксид железа (III) Fe2O3, оксид иттрия (ОИ) Y2O3, сульфат калия (СКЛ) K2SO4, оксид меди (ОМД) (II) CuO, бензоат натрия (БНТ) NaC7H5O2, салицилат натрия (СНТ) NaC7H5O3, оксид свинца (ОСВ) (II, IV) Pb3O4, хромат стронция (ХСТ) SrCrO4, фторид цезия (ФЦЗ) CsF, фторид церия (ФЦР) CeF3. Выбор указанных веществ производился по данным литературных источников [1, 2].
Основными компонентами исследуемых топлив являлись горючее (нитрогуани-дин) и окислитель (перхлорат аммония). Для регулирования температуры горения в состав НБГТ была включена газообразующая добавка уротропин. С целью обеспечения механической прочности топлив использовалось связующее, представляющее собой смесь идитола и каучука БНКС. Формирование рецептур НБГТ осуществлялось таким образом, чтобы их температура горения имела приблизительно одинаковые значения (Тгор ~1650 К). Количество модификатора в рецептурах НБГТ, было фиксированным и составляло 7 %. Твёрдые компоненты топлив имели микронный уровень дисперсности. На базе вышеуказанных компонентов были сформированы 20 вариантов топлив (типа 62-30), в состав индекса которых входит обозначение используемого модификатора.
Оценка эффективности модификаторов осуществлялась методом сравнения термодинамических, баллистических и физико-механических характеристик НБГТ с параметрами топлива-эталона 62-30-ЭТ, не содержащего модификатора.
Значения термодинамических характеристик НБГТ вычислялись с помощью программного комплекса «Астра» [3].Результаты расчётов представлены в таблице 1.
Таблица 1
Термодинамические характеристики исследуемых НБГТ
Вариант НБГТ Обозначение ха рактеристики
Ж, м3/кг Тгор, К Осг, МДж/кг Л, г/моль г, % ЯТ, кДж/кг
1 2 3 4 5 6 7
62-30-ЭТ 1,131 1637 5,014 19,81 0 687,0
62-30-БХА 1,076 1653 4,822 19,95 4,2 659,9
62-30-БХК 1,060 1632 4,800 20,38 3,6 641,8
62-30-0ВН 1,056 1613 4,712 20,0 5,7 656,4
62-30-0ВС 1,049 1654 4,692 21,37 0 643,4
62-30-0НК 1,045 1645 4,689 20,28 5,5 637,4
62-30-0МЛ 1,051 1624 4,709 20,27 4,9 632,9
62-30-0ТТ 1,044 1624 4,521 19,96 7,0 629,2
62-30-0ХР 1,045 1628 4,690 19,96 6,9 629,8
62-30-0ЦР 1,069 1637 4,688 19,96 7,0 634,2
62-30-0ВЛ 1,060 1628 4,683 21,15 0 639,8
62-30-0Ж 1,045 1614 4,688 20,57 4,1 625,9
62-30-0И 1,045 1642 4,689 19,96 7,0 636,3
62-30-СКЛ 1,045 1636 4,668 20,94 2,3 634,1
62-30-0МД 1,056 1630 4,722 20,05 5,5 639,0
62-30-БНТ 1,080 1631 4,829 20,61 0,7 652,9
62-30-СНТ 1,081 1623 4,812 20,61 0,6 650,8
62-30-0СВ 1,059 1612 4,723 21,16 0 633,2
62-30-ХСТ 1,052 1642 4,865 19,79 7,0 641,0
62-30-ФЦЗ 1,054 1632 4,718 21,25 0 638,3
62-30-ФЦР 1,049 1625 4,704 19,94 6,6 632,5
Для удобства представления и анализа полученных характеристик рассматриваемые НБГТ были разделены на 5 групп (по 4 топлива + топливо-эталон 62-30-ЭТ).
Скорость горения топлив при повышенном давлении (в интервале р = 2 ... 10 МПа) определялась в генераторе давления ГД-2М [4]. Значения скорости горения исследуемых групп топлив, а также показатель V и коэффициент и0 в зависимости и(р), приведены в табл. 2-6. На рис. 1-3 приведены зависимости скорости горения от давления для рассматриваемых групп НБГТ.
Вариант НБГТ и (р = 10 МПа), мм/с V и0, мм/с
62-30-БХА 10,1 0,50 1,01
62-30-БХК 7,84 0,48 0,86
62-30-0И 5,03 0,67 0,23
62-30-0МД 4,79 0,65 0,24
62-30-ЭТ 3,55 0,62 0,204
Таблица 3
Баллистические характеристики НБГТ 2 группы
Вариант НБГТ и (р = 10 МПа), мм/с V ио, мм/с
62-30-0Ж 8,35 0,78 0,23
62-30-0ВН 7,08 0,38 1,23
62-30-0МЛ 5,65 0,51 0,54
62-30-0ВЛ 4,76 0,60 0,3
62-30-ЭТ 3,55 0,62 0,204
и, мм с
1 ~Л •
2 * \ ■ ♦
А ♦ ж
■
\4_
\5_
О 2.5 5.0 7.5 10.0 Р- МПа
а)
1 - 62-30-БХА; 2 - 62-30-БХК; 3 - 62-ЗО-ОИ; 4 - 62-30-ОМД;5 - 62-30-ЭТ
С,мм с
1
2 1 А
ГШ ¿Г **
С
О 2.5 5.0 7,5 10.0 р.МПа
б)
1 - 62-30-0Ж; 2 - 62-30-0ВН; 3 - 62-30-0МЛ; 4 - 62-30-0ВЛ;5 - 62-30-ЭТ Рис. 1. Зависимости скорости горения от давления для НБГТ: а) 1группы; б) 2 группы
Вариант НБГТ и (р = 10 МПа), мм/с V и0, мм/с
62-ЗО-ОСВ 6,05 0,73 0,21
62-ЗО-ОХР 5,55 0,77 0,16
62-ЗО-ОЦР 5,00 0,56 0,38
62-30-БНТ 3,61 0,58 0,25
62-30-ЭТ 3,55 0,62 0,204
Таблица 5
Баллистические характеристики НБГТ 4 группы
Вариант НБГТ и (р = 10 МПа), мм/с V ио, мм/с
62-ЗО-ОВС 5,10 0,63 0,28
62-ЗО-ОНК 5,07 0,46 0,61
62-30-СКЛ 4,12 0,68 0,18
62-30-СНТ 3,49 0,61 0,21
62-30С-ЭТ 3,55 0,62 0,204
II, мм с
1 \ ■ ■
2 .1
\ - V \_5_
О 2 5 50 7 5 100 Р,МПа
а)
1 - 62-ЗО-ОСВ; 2 - 62-ЗО-ОХР; 3 - 62-ЗО-ОЦР; 4 - 62-30-БНТ;5 - 62-30-ЭТ
б)
1 - 62-ЗО-ОВС; 2 - 62-ЗО-ОНК; 3 - 62-30-СКЛ; 4 - 62-30-СНТ;5 - 62-30-ЭТ Рис. 2. Зависимости скорости горения от давления для НБГТ: а) 3 группа; б) 4 группа
Варианты НБГТ и (р = 10 МПа), мм/с V ио, мм/с
62-30-ХСТ 5,78 0,72 0,21
62-30-0ТТ 4,91 0,60 0,31
62-30-ФЦР 4,59 0,67 0,21
62-30-ФЦЗ 3,98 0,83 0,087
62-30-ЭТ 3,55 0,62 0,204
V, мм/с
/ ■
* * *
2 ш
\ 5
\4_
О 2.5 5.0 7.5 10.0 />,МПа
1 - 62-30-ХСТ;2 - 62-30-0ТТ; 3 - 62-30-ФЦР;4 - 62-30-ФЦЗ; 5 - 62-30-ЭТ Рис. 3. Зависимости скорости горения от давления для НБГТ 5 группы
Физико-механические характеристики НБГТ оценивались на основе значений предела прочности при растяжении изгибающим моментом и сжатии. Для удобства представления и анализа результатов исследуемые топлива были разделены на 2 группы. Полученные результаты приведены в таблицах 7, 8.
Таблица 7
Физико-механические характеристики НБГТ 1 группы
Вариант НБГТ ои, МПа ОсЖ, МПа
62-30-ЭТ 17,0 51,0
62-30-БХА 15,6 55,5
62-30-БХК 16,2 54,5
62-30-0ВН 15,9 54,8
62-30-0ВС 12,6 54,9
62-30-0НК 14,8 56,1
62-30-0МЛ 16,1 51,6
62-30-0ТТ 10,2 52,5
62-30-0ХР 14,7 55,8
62-30-0ЦР 12,6 54,6
62-30-0ВЛ 19,8 58,0
Вариант НБГТ Ои, МПа ОсЖ, МПа
62-30-ЭТ 17,О 51,О
62-ЗО-ОЖ 17,8 55,6
62-ЗО-ОИ 22,7 53,4
62-30-СКЛ 18,5 53,8
62-ЗО-ОМД 2О,2 56,5
62-30-БНТ 21,О 54,1
62-30-СНТ 18,3 43,О
62-ЗО-ОСВ 16,9 58,7
62-30-ХСТ 21,О 53,7
62-ЗО-ФЦЗ 17,4 5О,4
62-30-ФЦР 16,5 58,6
Для анализа эффективности рассматриваемых НБГТ на рис. 4 (а, б) приведены значения предела прочности при растяжении изгибающим моментом, являющейся наиболее важной физико-механической характеристикой данных зарядов.
<ju, МПа
а)
1 - 62-30-ЭТ; 2 - 62-30-БХА; 3 - 62-30-БХК; 4 - 62-ЗО-ОВН; 5 - 62-ЗО-ОВС; 6- 62-ЗО-ОНК; 7 - 62-ЗО-ОМЛ; 8 - 62-ЗО-ОТТ; 9 - 62-ЗО-ОХР; 10 - 62-ЗО-ОЦР; 11 - 62-ЗО-ОВЛ
аи, МПа
б)
1 - 62-30-ЭТ; 2 - 62-30-0Ж; 3 - 62-30-0И; 4 - 62-30-СКЛ; 5 - 62-30-0МД; 6 - 62-30-БНТ;
7 - 62-30-СНТ; 8 - 62-30-0СВ; 9 - 62-30-ХСТ; 10 - 62-30-ФЦЗ; 11 - 62-30-ФЦР Рис. 4. Экспериментальные значения предела прочности НБГТ при растяжении изгибающим моментом:а) 1 группа; б) 2 группа
В результате анализа термодинамических, баллистических и физико-механических характеристик исследуемых НБГТ получены следующие данные.
Высокой газопроизводительностью (Ж> 1,06 м /кг) обладают НБГТ, содержащие модификаторы СНТ, БНТ, БХА, ОЦР, БХК, ОВЛ. Высокая работоспособность (ЯТ > 650 кДж/кг) характерна для топлив, включающих модификаторы БХА, ОВН, БНТ, СНТ. Обеспечению низкой молярной массы газов (и < 19,95 г/моль) способствует применение модификаторов ХСТ, ФЦР, БХА. Для получения низкой теплоты сгорания топлив (<2сг < 4,69 МДж/кг) целесообразно использовать модификаторы ОТТ, СКЛ, ОВЛ, ОЖ, ОЦР, ОНК, ОИ. Отсутствие конденсированной фазы в составе продуктов сгорания (г = 0) характерно для НБГТ, содержащих модификаторы ОВС, ОВЛ, ОСВ, ФЦЗ.
Наиболее высокие значения скорости горения (и > 7 мм/с при р = 10 МПа) топ-лив обеспечивает включение в их рецептуры модификаторов БХА, ОЖ, БХК, ОВН. Применение указанных модификаторов обусловило повышение скорости горения НБГТ относительно топлива-эталона соответственно в 2,8; 2,4; 2,2; 2,0 раза. К снижению зависимости скорости горения от давления (V < 0,5) приводит использование модификаторов ОВН, ОНК, БХК, БХА.
Высокой прочностью при растяжении изгибающим моментом (ои > 20 МПа) обладают НБГТ, включающие модификаторы ОИ, ХСТ, БНТ, ОМД. Высокая прочность при сжатии (осж > 55 МПа) характерна для топлив, содержащих модификаторы ОСВ, ФЦР, ОВЛ, ОМД, ОНК, ОХР, ОЖ, БХА.
Комплексный анализ полученных характеристик НБГТ показал, что наиболее эффективным является применение в качестве модификаторов бихромата аммония, оксида железа, бихромата калия и оксида ванадия. При использовании оксида железа рекомендуется принять меры по снижению показателя степени V в законе горения НБГТ.
При разработке НБГТ для систем ПЭИМ был выбран бихромат аммония, являющийся наиболее эффективным модификатором горения. Данному топливу присвоен индивидуальный индекс 62-35.Количество БХА в НБГТ 62-35, вследствие ограничений по содержанию конденсированной фазы, составляет 5 %. Помимо перечисленных компонентов, топливо включает 1 % порошка алюминиево-магниевого ПАМ-4 (для обеспечения стабильности процесса горения в условиях высокого давления) и ~ 1 % графита (для улучшения прессуемости). Температура горения топлива составляет Тгор = 1700 К. Из НБГТ 62-35 разработаны 3 варианта зарядов, представляющих собой совокупность канальных таблеток всестороннего горения в количестве 1, 4 и 6 шт. Заряды формировались методом глухого прессования на гидравлических прессах.
На базе ОАО «ФНПЦ «НИИ прикладной химии» проведены огневые стендовые испытания (ОСИ) зарядов из разработанного топлива в составе модельной установки СОЗР, представляющей собой толстостенный сосуд, внутри которого с помощью втулок переменной длины имитируется свободный объем рабочей камеры. Схема модельной установки приведена на рис. 5.
1 - втулка; 2 - рабочая ёмкость; 3 - заряд из состава 62-35;
4 - таблетка из универсального воспламенительного состава; 5 - пиропатрон
Рис. 5. Схема модельной установки СОЗР
Объектами испытаний являлись заряды трёх типов: 1-го открытия, закрытия, 2-го открытия. Указанные заряды должны обеспечивать следующие значения давления в рабочей ёмкости установки СОЗР: в режиме 1-го открытия рулей -р = 22 .„37 МПа за время т = 0,03 .0,15 с; в режиме закрытия рулей -р = 15 .30 МПа за время
т = 0,01 .0,06 с; в режиме 2-го открытия рулей -р = 30 .55 МПа за время т = 0,03 .0,15 с.
На рис. 6 представлены результаты ОСИ зарядов из разработанного НБГТ в модельной установке СОЗР.
р. МПа
40
30
20
10
33,21 ¿',64
21,59 *28,04
6,66,
0 0.03 0.06 0.09 0.12
а)
0,15 ОЛЯ 0;21 Г,С
р. МПа
50
40 30 20 10 0
■41,44^ 46,25 4~,3 6
14, Ч',54
0 0.02 0.04 0.06 0.0Й 0.1
б)
0,12 0,14 0,16 Т, С
р. МПа
60
30
15
51, "5
Я 5,5 2 _
0,03 0,06 0,09 ОД2 0,15
в)
0,18 Г, С
Рис. 6. Динамика изменения давления в ёмкости модельной установки СОЗР при работе зарядов трех типов: а) заряд 1-го открытия; б) заряд закрытия; в) заряд 2-го открытия
Из рис. 6следует, что режим работы модельной установки СОЗР, снаряженной зарядами из созданного НБГТ 62-35, соответствует предъявляемым требованиям.
ОСИзарядов в натурной установке СОЗРпроводились на базе Дмировского филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана. Результаты испытаний приведены на рис. 7, 8.
Рксу
5040 3020 10 0 ■
О 0,05 0,1 0,15 0,2 тра°<с
1 - заряд 1 -го открытия; 2 - заряд закрытия; 3 - заряд 2-го открытия Рис. 7. Динамика изменения давления в ёмкости натурной установки СОЗР
ар , град 90 80 70 60 50 40 30 20 10 о
О 0,05 0.1 0,15 0,2 тра6.с
1 - заряд 1-го открытия; 2 - заряд закрытия; 3 - заряд 2-го открытия Рис. 8. Динамика изменения ориентации (поворот) рулей в установке СОЗР
В результате проведения огневых стендовых испытаний зарядов, изготовленных из разработанного топлива 62-35, подтверждено соответствие их рабочих характеристик предъявляемому комплексу технических требований.
Выводы
1. Определены закономерности влияния природы 20 модификаторов на термодинамические, баллистические и физико-механические характеристики НБГТ на основе нитрогуанидина, перхлората аммония и уротропина.
2. В результате расчётно-экспериментального исследования НБГТ и применения метода рецептурного регулирования установлено:
- наиболее эффективным модификатором для рассмотренной группы топлив является бихромат аммония;
-к числу перспективных модификаторов горения также можно отнести оксид ванадия, бихромат калия и оксид железа (III);
МП!)
-
\
1
2 г~ 3 0/
/
- применение оксида ванадия наиболее целесообразно для повышения стабильности рабочего процесса, что характерно для топлив, отличающихся слабой зависимостью скорости горения от давления.
3. На основе результатов проведённого исследования разработано высокоэффективное НБГТ 62-35 для систем перемещения элементов исполнительных механизмов.
Список литературы
1. А.П. Глазкова. Катализ горения взрывчатых веществ. - М.: Изд-во «Наука», 1976. - 264 с.
2. Н.Н. Бахман, А.Ф. Беляев. Горение гетерогенных конденсированных систем. -М.: Изд-во «Наука», 1967. - 228 с.
3. Трусов Б.Г. Моделирование химических и фазовых равновесий при высоких температурах «Астра 4». - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1991. - 40 с.
4. Генератор давления ГД-2М. Техническое описание и инструкция по эксплуатации / НИИ прикладной химии. - Инв. №10264. - Загорск, 1975. - 15 с.
electronic scientific and technical periodical
SCIENCE and EDUCATION
_EL № KS 77 -3()56'J..VaU421100025. ISSN 1994-jMOg_
The results of research and development of low-temperature, fast-burning, gas-generating fuels for systems moving elements of actuators.
77-30569/299736 # 02, February 2012
Shabunin A.I., Kalinin S.V., Sarab'ev V.I., Yagodnikov D.M., nolyanskii A.R.
Open Stock Company «Federal Scientific and Production Center «Scientific Research Institute of Applied Chemistry», Moscow State Technical Universityn. N.E. Bauman
otd11_niiph@mail.ru daj @mx .bmstu.ru korolev 100-rd@mail. ru
The results of thermodynamic, ballistic, physic-mathematical surveys of low-temperature, gas-generating, fast-burning fuels (LGFF) characteristics. These fuels are pyrotechnic type based on nitroguanidine, ammonium perchlorate and methenamine, proposed for systems to move elements of actuators (SMEA), in particular, for gas generators (GG), for systems to open-close the underwater missiles' steering devices (SOCSD). There are strict requirements for reaction time of these devices; it leads to the necessity of LGFF with high burning rate usage. Twenty chemical combinations were considered as modifiers to increase the burning rate. Based on obtained characteristics for different kinds of modifiers, high efficiency LGFF was created. The fuel was tested in GG and SOCSD. The results of those tests completely meet the requirements.
Publications with keywords: combustion, strength, propellant, modifier Publications with words: combustion, strength, propellant, modifier
Reference
1. A.P. Glazkova, Catalysis of combustion of explosive substances, Moscow, Izd-vo «Nauka», 1976, 264 p.
2. N.N. Bakhman, A.F. Beliaev, Combustion of heterogeneous condensed systems, Moscow, Izd-vo «Nauka», 1967, 228 p.
3. Trusov B.G., Simulation of chemical and phase equilibriums at high temperatures "Astra 4", Moscow, Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana - BMSTU Press, 1991, 40 p.
