Влияние давления и начальной температуры на характеристики горения магнийсодержащих составов с добавками фторидов металлов Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 662.1:621.762

Влияние давления и начальной температуры на характеристики горения магнийсодержащих составов с добавками фторидов металлов

© С.В. Шибанов, П О. Королев, А.И. Шабунин, В.И. Сарабьев, М.В. Хрисанфов

ОАО «Федеральный научно-производственный центр «НИИ прикладной химии», г. Сергиев Посад, Московская обл., 141313, Россия

Выполнена оценка влияния давления и начальной температуры на параметры закона горения пиротехнических составов (ПТС) на основе магния и нитрата натрия с добавками фторидов щелочных и переходных металлов. Установлены значения температурного коэффициента для ПТС с добавками различных фторидов, построены параметрические зависимости скорости горения от давления и температуры. Выполнен анализ результатов испытаний, определены границы влияния начальных параметров на характеристики горения ПТС.

Ключевые слова: пиротехнический состав, фториды металлов, влияние давления и температуры, закон горения, температурный коэффициент, уравнение регрессии.

Для большой номенклатуры пиротехнических изделий практически важной является зависимость характеристик горения, и в первую очередь скорости горения, от давления и начальной температуры и(р, 70). По опытным данным, скорость горения пиротехнических составов (ПТС) с повышением давления и начальной температуры обычно увеличивается [1, 2]. Это обусловлено тем, что повышение давления ускоряет реакции в газовой фазе, а повышение начальной температуры системы приводит к уменьшению затрат теплоты на ее разогрев в волне горения.

Оценку влияния давления и начальной температуры на характеристики горения выполняли для ПТС на основе магния и нитрата натрия с добавками фторидов щелочных и переходных металлов в количестве 1 %. Испытания проводили с использованием цилиндрических образцов диаметром 20 мм, изготовленных методом глухого прессования (коэффициент уплотнения 0,95) и забронированных по одному торцу и боковой поверхности. Перед испытанием образцы термостатировали при начальной температуре -35 °С, 0 °С и +35 °С. Скорость горения определяли в генераторе давления ГД-2М при значениях давления 2,0...0,5 МПа и 6,0...0,5 МПа, а также при атмосферном давлении в фотокамере [2].

В результате проведения серии опытов были получены зависимости скорости горения от давления и начальной температуры в виде степенных законов (табл. 1). Значение температурного коэффициента

в д1п и Н

скорости горения определяли по выражению р =-. На основа-

дТо

нии матрицы экспериментальных данных по скорости горения в координатах давление — температура многофакторная зависимость может быть определена параметрическим уравнением регрессии в виде [3]

и (р, То) = а рТо + а2 р2 + аз р + аА + а5Т0 + а(Т1,

где а1 — коэффициент зависимости величин; а2, а3 — коэффициенты влияния давления (квадратичной и линейной составляющей соответственно); а4 — коэффициент при свободном члене; а5, а6 — коэффициенты влияния начальной температуры (линейной и квадратичной составляющей соответственно). Значения коэффициентов а1, ..., а6 находили методом множественного регрессионного анализа с помощью программы 81ай811са [4]. Полученные результаты определения баллистических характеристик ПТС представлены в табл. 1, 2 и на рис. 1, а-в.

Таблица 1

Зависимость скорости горения модифицированных ПТС от давления и начальной температуры

Добав- Т, °с Параметр закона горения и(1), мм/с и(20), мм/с и(60), мм/с

ка и> V

-35 12,30 0,185 11,6 21,4 26,2

- 0 11,69 0,207 11,5 21,7 27,3

35 13,44 0,179 11,8 23,0 28,0

-35 7,71 0,408 13,6 26,2 41,0

0 8,85 0,372 14,6 27,0 40,6

35 11,91 0,297 14,9 29,0 40,2

-35 7,05 0,418 13,0 24,7 39,1

2пБ2 0 8,85 0,372 13,1 27,0 40,6

35 9,47 0,366 13,6 28,4 42,4

-35 5,93 0,479 17,0 24,9 42,1

0 9,18 0,383 17,2 28,9 44,1

35 11,23 0,347 18,4 31,8 46,5

Влияние давления и начальной температуры на характеристики горения... и, мм/с 45

40

35

30

25

20

4 2

\з •

1 ■

и. мм/с

45

40

35

30

25

20

45

40

35

30

25

20

2 3 4 5 6 /7, МПа

а

А А ----------

4

♦

▲

уЛ

2 з 4 5 б р, МПа

и. мм/с

4

^ 3

А ' \2

■

6 р, МПа

Рис. 1. Зависимость скорости горения ПТС от давления при различных значениях начальной температуры: а — при -35 °С; б — при 0 °С; в — при +35 °С (1 — без добавки; 2 — фторид натрия; 3 — фторид цинка; 4 — фторид лития)

Таблица 2

Значения температурного коэффициента в и параметрические зависимости и(р, 70) для модифицированных ПТС

Добавка р-10"3, мм/(с-К), при р, МПа Щр, Г>)* Рис. 2

0,1 2,0 6,0

- 0,2 1,1 0,7 3,29-10-4Р70 - 1,21-10_3Р2 + 0,23Р + + 17,67 + 5,21-10"370 + 6,5 105 т0 а

ЫБ 1,1 2,1 1,4 - 3,1-10"4Р70 - 2,45-10"3Р2 + 0,58Р + + 18,25 + 8,8110-2 Т0 + 2,04-Ю-4 Т2 б

КБ 1,0 1,2 -0,3 - 1,54-10-3РТ0 - 2,45 103Р2 + 0,54Р + + 17,16 + 7,11-10-2 Т0 - 3,27105 Т2 в

2ПБ2 0,6 ш диапа 1,2 зона з 1,6 ¡начени - 2,4-10"4РТ0 - 1,14-10"3Р2 + 0,43Р + + 19,05 + 6,1510-2 Т0 - 1,55-Ю"4 т0 йр = 2,0. ..6,0 МПа. г

Полученные зависимости Щ(р, Го) представлены в графическом виде на рис. 2, а-г.

и, и,

Рис. 2. Зависимости и(р, Г0) для ПТС с различными добавками фторидов

(а-г, см. табл. 2)

Из анализа результатов следует, что с увеличением скорости горения ПТС на основе магния и нитрата натрия добавки фторидов обусловливают существенное изменение температурного коэффициента. С повышением давления в диапазоне значений 0,1...6,0 МПа, при которых происходит горение ПТС, температурный коэффициент сначала увеличивается, затем уменьшается, но для ПТС с добавкой фторида цинка коэффициент ß увеличивается во всем диапазоне. В зависимости от давления температурный коэффициент увеличивается на 10.450 %, а для ПТС с добавкой фторида натрия при давлении 6,0 МПа получено отрицательное значение ß = -0,3 10-3 мм/(сК) (см. рис. 2, в). Как видно на рис. 2, наблюдается также увеличение зависимости скорости горения от давления для всех ПТС с добавками фторидов.

Полученные параметрические зависимости могут быть использованы для компоновки и разработки ПТС и прогнозирования их работы в составе различных изделий.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Бахман Н.Н., Беляев А.Ф. Горение гетерогенных конденсированных систем. Москва, Наука, 1967, 2б6 с.

[2] Силин Н.А., Кашпоров Л.Я., Гладун В.Д. и др. Горение металлизированных гетерогенных конденсированных систем. Москва, Машиностроение, 1982, 232 с.

[3] Павловец Г.Я., Чучалин М.В. Методика оценки температурной зависимости скорости горения энергоемких композитов. Химическая физика и ме-зоскопия, 2011, том 13, № 2, с. 182-186.

[4] Боровиков В.П. Популярное введение в программу Statistica. Москва, Компьютер-пресс, 1998, 267 с.

Статья поступила в редакцию 15.07.2013

Ссылку на эту статью просим оформлять следующим образом:

Шибанов С.В., Королев П.О., Шабунин А.И., Сарабьев В.И., Хрисанфов М.В. Влияние давления и начальной температуры на характеристики горения магнийсо-держащих составов с добавками фторидов металлов. Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 4.

URL: http://engjournal.ru/catalog/machin/rocket/712.html

Шибанов Сергей Владимирович родился в 1985 г.; окончил с отличием Московский государственный индустриальный университет в 2007 г.; старший научный сотрудник Федерального научно-производственного центра «НИИ прикладной химии»; автор более 10 научных работ в области получения и применения ультра- и нанодисперсных компонентов в энергонасыщенных системах. e-mail: lab112.niiph@yandex. ru

Королев Павел Олегович родился в 1991 г.; окончил Московский государственный индустриальный университет в 2013 г.; инженер-конструктор Федерального научно-производственного центра «НИИ прикладной химии»; специализируется в области

исследования и разработки твердых пиротехнических топлив и зарядов для гидрореактивных и воздушно-реактивных двигателей. e-mail: lab112.niiph@yandex.ru

Шабунин Александр Иванович родился в 1976 г.; окончил Тульский государственный университет в 2000 г.; канд. техн. наук; начальник лаборатории Федерального научно-производственного центра «НИИ прикладной химии»; автор более 25 научных работ в области исследования и разработки твердых пиротехнических топлив и зарядов для гидро- и воздушно-реактивных двигателей и низкотемпературных газогенераторов. e-mail: lab112.niiph@yandex.ru

Сарабьев Виктор Иванович родился в 1947 г.; окончил Казанский химико-технологический институт им. С.М. Кирова в 1972 г.; д-р техн. наук, профессор, начальник отдела Федерального научно-производственного центра «НИИ прикладной химии» — главный конструктор по направлению; автор более 250 научных работ в области исследования и разработки пиротехнических составов и изделий на их основе. e-mail: lab112.niiph@yandex.ru

Хрисанфов Максим Валерьевич родился в 1990 г.; окончил Московский государственный индустриальный университет в 2012 г.; инженер-технолог Федерального научно-производственного центра «НИИ прикладной химии»; специализируется в области исследования и разработки твердых пиротехнических топлив и зарядов для воздушно-реактивных двигателей. e-mail: lab112.niiph@yandex.ru