CC BY
57
УДК 662.352:662.311.11
А. А. Шатохин, В .А. Сизов, ЮГ. Шепелев*
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 * e-mail: shel@rctu.ru
ВЛИЯНИЕ КАТАЛИЗАТОРОВ В СОЧЕТАНИИ С УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ НА ТЕМПЕРАТУРНУЮ ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ ГОРЕНИЯ БАЛЛИСТИТНЫХ ПОРОХОВ
Исследована температурная зависимость скорости горения (в интервале 223 - 323 К) баллиститного пороха, содержащего катализаторы горения в сочетании с углеродными нанотрубками. Зависимость температурного коэффициента скорости горения Р от давления (в диапазоне 0,1 - 100 МПа) при использовании катализаторов в сочетании с нанотрубками имеет сложный характер: в диапазоне 1-10 МПа величина Р близка к нулю, затем возрастает и проходит через максимум при 75 МПа. При давлении выше 75 МПа коэффициент Р катализированного пороха снижается с ростом давления так же, как и в случае исходного пороха (без катализаторов).
Ключевые слова: баллиститный порох, катализ горения, углеродные нанотрубки, температурный коэффициент.
Закономерности горения баллиститных порохов различного состава, в частности, зависимости скорости горения от давления и начальной температуры заряда, подробно изучены при давлении р < 20 МПа в интервале температур 223323 К. Влияние начальной температуры на скорость горения характеризуется температурным
коэффициентом скорости горения Р = d 1п и / йТо.
Известно, что коэффициент Р в области относительно низкого давления можно снижать с помощью катализаторов горения. В работе [1] было изучено влияние катализаторов на температурный коэффициент скорости горения в интервале давления от 1,5 до 15 МПа. При этом была найдена взаимосвязь между эффективностью действия катализаторов Ъ = ик/ио (где ик и и0 - скорость горения пороха с катализатором и без него, соответственно) и изменением коэффициента в при введении катализатора: /30 / /Зк = (0,5 ^ 1)Z2 . В
работе [2] для порохов с различным соотношением между нитроэфирным пластификатором
(нитроглицерин, динитрат диэтиленгликоля, нитрогликоль) и нитроцеллюлозой изучено влияние начальной температуры на скорость горения в области высоких давлений. Однако действие катализаторов на температурный коэффициент в области высоких давлений практически не изучено.
В данной работе исследовано влияние катализаторов на температурную зависимость скорости горения модельного пороха на основе нитроцеллюлозы и нитроглицерина (порох А) в области давления от 1 до 100 МПа. В качестве катализаторов использовались органические соли меди и никеля в сочетании с углеродными нанотрубками (УНТ). Исследования проводили в интервале начальных температур заряда от 223 до 323 К. При каждой температуре проводили 3-5 опытов.
В интервале давления от 1 до 20 МПа опыты проводили в приборе постоянного давления методом угловых точек на бронированных по боковой поверхности цилиндрических образцах диаметром 7 мм. При давлении от 20 до 100 МПа скорость горения определяли в манометрической бомбе объемом 35 см3 методами Вьеля и угловых точек.
Заряд размещали в бумажном стаканчике, внутри которого пороховой элемент для теплоизоляции обкладывали сухим пироксилином. Ранее в работе [2] было установлено, что после извлечения заряда такой конструкции из термостата, изменение температуры на 1 К на поверхности шашки происходит примерно за 1 мин. Нами были проведены подобные измерения и результаты были подтверждены. Термостатирование зарядов проводили в течение 3-4 часов, а испытание после извлечения из термостата за 45-60 секунд.
В случае испытаний методом Вьеля применяли заряды в форме ленты. С помощью созданной в РХТУ им. Д.И. Менделеева программы МЛКО-2 обрабатывали кривую р(т) в интервале изменения сгоревшей части заряда у от 0,1 до 0,9, затем с помощью формул классической внутренней баллистики на основании геометрического закона рассчитывали скорость горения.
При сжигании образцов методом угловых точек использовали заряды в форме цилиндрической таблетки диаметром 18 и высотой 3-4 мм. Масса одной таблетки составляла 1-1,5 г. Скорость горения определяли исходя из высоты таблетки и времени ее горения: и = 2е1/2Дг , и относили к среднеинтегральному давлению в опыте. Уровень давления задавали величиной массы дополнительного быстросгорающего заряда из сухого пироксилина №1.
Изложенная методика обеспечивает
среднеквадратичное отклонение скорости горения для метода Вьеля не более 5-7% и для метода угловых точек 2-3%. Как показано в работе [2],
погрешность измерения температурного
коэффициента на уровне 1 %о/К в интервале температуры 223-323 К составляет от 46 до 146% при погрешности измерения скорости горения от 2 до 7%, соответственно.
Для образца с катализаторами зависимость Р(р) носит сложный характер (табл. 1, рис. 1): величина коэффициента Р при давлении 1-10 МПа очень низкая (~0,25 %/К), с ростом давления от 10 до ~70 МПа значения р возрастают и достигают максимума (2,6 %/К) при 70-75 МПа. После
75 МПа характер зависимости Р(р) такой же, как и для пороха без катализаторов, то есть с ростом
давления величина Р снижается. Данные для пороха А без катализаторов заимствованы из работы [1]: значение р0 падает с ростом давления и составляет 3-5 %/К (табл. 1, рис. 1).
Анализ полученных данных показывает, что наблюдается связь величины Р с эффективностью действия катализатора 2. Так, при низких давлениях (1 - 20 МПа) для данного образца 2 составляет 2,6 - 5,9, а величина Р близка к нулю; с ростом давления от 20 до 100 МПа эффективность катализатора падает (2 уменьшается от 2,6 до 1) и, соответственно, коэффициент Р растёт до значения 2,6 %/К, не достигая величины, соответствующей некатализированному пороху.
Таблица 1. Температурный коэффициент Р для пороха А с катализаторами в сочетании с УНТ при различных _давлениях
Параметр Порох А [1] Порох А с катализаторами и УНТ
при давлении, МПа при давлении, МПа
1 10 20 50 100 1 10 20 50 100
2 - - - - - 5,9 3,4 2,6 1,3 1,01
р, %/К 8,5 4,1 3,8 3,6 3,5 0,25 0,4 0,9 2,6 2,3
Ро/Рк эксп. - - - - - 34 10,3 4,2 1,4 1,5
расч. - - - - - 17,4...34,8 ,6 ,8 3,4.6,8 0,85.1,7 0,5.1
Как было указано выше, существует взаимосвязь между снижением температурной зависимости скорости горения пороха при введении в него катализаторов р0/рк и эффективностью действия этих катализаторов Ъ. В табл. 1 приведены как экспериментальные, так и расчётные значения величины р0/рк. Поскольку эффективность катализатора слабо зависит от начальной температуры (например, при 10 МПа Ъ=3,1-3,4), то для расчёта использовали среднее Ъ в интервале температур от 223 до 323 К.
Видно, что для образца с катализаторами и УНТ при всех давлениях выполняется зависимость
А) / Рк =(0,5 ^ 2 , то есть экспериментальные
данные хорошо согласуются с теоретическими представлениями. Отметим, что скорость горения исходного пороха при разбавлении его каталитическими добавками должно снизиться примерно на 15% и в результате действительное значение Ъ должно быть выше, что обеспечит лучшую сходимость экспериментальных и теоретических значений р0/рк.
Таким образом, катализаторы горения в сочетании с углеродными нанотрубками снижают температурную зависимость скорости горения баллиститных порохов и в области высокого (до 100 МПа) давления.
Шатохин Алексей Анатольевич, студент 5 курса инженерного химико-технологического факультета РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Сизов Владимир Александрович, аспирант, ведущий инженер кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Шепелев Юрий Германович, к.т.н., доцент, доцент кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Литература
1. Архипов А.Г., Денисюк А.П. Влияние катализаторов на температурный коэффициент скорости горения
конденсированных систем на основе нитроцеллюлозы //Физика горения и взрыва. 1990. Т. 26, № 5. С. 6569.
2. Шепелев Ю.Г., Фогельзанг А.Е., Денисюк А.П., Демидов А.Е. Влияние начальной температуры на
скорость горения баллиститных порохов в области высокого давления // Физика горения и взрыва. 1990. Т. 26, № 4. С. 40-45.
Shatokhin Aleksey Anatolievich, Sizov Vladimir Aleksandrovich, Shepelev Yury Germanovich*
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: shel@rctu.ru
INFLUENCE OF THE CATALYSTS IN COMBINATION WITH CARBON NANOTUBES ON THE TEMPERATURE DEPENDENCE OF DOUBLE-BASE PROPELLANT
Abstract
Temperature dependence (in range 223 - 323 K) of double-base propellant with burning rate catalysts and carbon nanotubes was investigated. The P(p) dependence (in pressure range 1- 100 MPa) has a complicated nature when we use catalysts with carbon nanotubes, at 1 - 10 MPa P ~ 0 and has a maximum at 75 MPa. After 75 MPa the dependence P(p) is similar for the catalyzed propellant as for the propellant without additives, decreases with the growth of pressure.
Keywords: double-base propellant, combustion catalysis, carbon nanotubes, temperature coefficient.
