CC BY
21
УДК 662.311.11
Гулаков М.Ю., Шишков В О., Денисюк А.П.
ВЛИЯНИЕ ОКТОГЕНА И МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ГОРЮЧЕГО НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ КАТАЛИЗАТОРОВ НА ГОРЕНИЕ ТОПЛИВ С НИТРАТОМ АММОНИЯ
Гулаков М.Ю., аспирант, ведущий инженер кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений, e-mail: gulakovmu@muctr. ru;
Денисюк А.П., д.т.н., профессор, зав. кафедрой химии и технологии высокомолекулярных соединений. Шишков В.О., студент 5 курса кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений. Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, Россия, 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Исследовано влияние энергетических добавок как в индивидуальном виде, так и в сочетании с различными катализаторами, на скорость горения баллиститного топлива с высоким содержанием нитрата аммония. Показано, что добавки приводят к увеличению удельного импульса и снижению параметра v в 3-4 раза.Показано, что введение металлических горючих снижает способность топлива к катализу.
Ключевые слова: скорость горения, катализаторы горения, взрывчатые вещества, металлические горючие
STUDY OF BEHAVIOR OF COMBUSTION OF AMMONIUM NITRATE BASED PROPELLANT
Gulakov M.Yu., Shishkov V.O., Denisyuk A.P.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The effect of energy additives, both individually and in combination with different catalysts, on the rate of combustion of ballistic fuel with high content has been investigated. ammonium nitrate. It is shown that the additives lead to an increase in the specific impulse and a decrease in the parameter v by 3-4 times. It is shown that the introduction of metallic fuels reduces the ability of the fuel to catalyze.
Key words: burning rate, combustion catalysts, explosive, metal fuels
Пороха и ракетные топлива широко используются в мирных целях, например, в градобойных и геофизических ракетах, а также в различных газогенераторах (для подушек безопасности, в газовых рулях и др.) Они должны иметь достаточно высокую энергетику, устойчиво гореть в широком интервале давления, при этом скорость их горения должна слабо зависеть от давления. Кроме этого должны быть дешевы в производстве и безопасны в обращении. В этом плане несомненный интерес представляют топлива на основе нитрата аммония (НА), который имеет широкую производственную базу и является относительно дешевым окислителем.
Ранее в работах РХТУ [1, 2] было показано, что топлива на активном баллиститном связующем, содержащие большое количество нитрата аммония (до 70%), обладают высокой способностью к катализу, и горение происходит по к-фазной модели. Наибольшей эффективностьюдействия обладает комбинированный катализатор, содержащий соль никеля, бихромат калия и сажу. В работе [3], показано, что при замене в этом катализаторе сажи на углеродные нанотрубкивлияние катализатора повышается. Однако, если для повышения энергетики топлива в его состав одновременно вводить октоген и металлическое горючее, то влияние катализаторов резко снижается. При этом, причины этого не быть выявленны, в частности, какую роль в этом играет октоген. Выяснение этого вопроса и явилось целью данной работы.
В базовое топливо, состоящее из баллиститной основы и 70% нитрата аммония (обр.1), вводили 20%октоген (размер частиц 18-20 мкм) (обр.2), 20%
сплава алюминия с магнием марки АМД-10 (<15 мкм) (обр.3) и 20% алюминиямарки АСД-4 (<50 мкм) (обр.4). Таким образом, полученные образцы содержат 80% пороха с НА и 20% энергетической добавки.В качестве катализаторов использовались салицилат никеля (СН), фталат меди свинца (ФМС), фталат никеля свинца (ФНС) и бихромат калия (БХК), а также сажа марки УМ-76. Скорость горения составов определялась методом угловых точек в приборе постоянного давления в атмосфере азота на образцах диаметром 6 мм и высотой 15 мм. Точность определения данного метода± 2%. Эффективность действия катализатора оценивались величиной 2=ик/ио, где Ик/Ио -отношение скоростей горения катализированного состава к некатализированному, и влиянием на параметр V в зависимости И(Р).
В первой серии опытов исследовано влияние энергетических добавокв индивидуальном виде на скорость горения базового состава. Результаты представлены в таблице 1.
Как видно из таблицы 1, октоген и АМД-10 приводят к увеличению удельного импульса и скорости горения, и существенному снижению параметра V (в 3-4 раза) в диапазоне от 1 до 4 МПа. Это дает возможность использовать данные образцы без катализатора. При более высоком давлении значение V уменьшается незначительно. С ростом давления состав с октогеном горит даже ниже базового, что вероятнее всего связано с более высокой скоростью горения состава и уменьшением времени пребывания октогена в реакционном слое к-фазы и с уменьшением степени разложения октогена в к-фазе.
Таблица 1. Параметры горения составов с различными энергетическими добавками
Добавка Закон горения И=Бру(в диапазоне давления ДР, МПа) И2, мм/с 22 И13, мм/с 213
Б V ДР, МПа
Без добавок 0,93 0,87 1,5-15 1,7 - 8,7 -
20% октогена 2,01 0,32 0,85-3,5 2,5 1,5 8,4 0,9
1,1 0,79 3,5-15
20% АМД-10 3,02 0,21 1,1-3,8 3,5 2,1 9,5 1,1
1,74 0,66 3,8-15
20% АСД-4 1,91 0,69 1,5-15 3,1 1,8 11,2 1,3
Во второй серии опытов исследовано влияние комбинированных катализаторов на скорость горения состава соктогеном. Результаты представлены в таблице 2, из которой видно, что комбинированные катализаторы значительно увеличивают скорость горения, при этом, в наибольшей степени катализатор, содержащий салицилат никеля (2 = 3,8). С увеличением давления эффективность действия катализаторов падает. Вероятно, это связано с ухудшением условий образования на поверхности горения сажистого каркаса, на котором происходит накопление частиц катализатора и который играет определяющую роль в катализе горения. При давлении выше 4 МПа для образцов с катализатором происходит снижение величиныу практически в 1,46 и 1,68 раз. Это важный момент, так как понижение V
обеспечивает стабильность работы ракетного двигателя и газогенератора.
В третьей серии опытов исследовано влияние комбинированных катализаторов на скорость горения состава АМД-10.
Из табл. 5 видно, влияние каталитических добавок значительно ниже, по сравнению с топливом, содержащим октоген и образцов без него (табл.1). Наибольшее увеличение скорости горения (в 2 раза при 2 МПа) наблюдается при катализаторе на основе салицилата никеля. Также отметим, что данные катализаторы почти не влияние на значение V.
В четвертой серии опытов исследовано влияние комбинированных катализаторов на скорость горения состава с АСД-4.
Таблица 2. Влияние комбинированных катализаторовна горение образцов соктогеном
Катализатор Закон горения И=Бру(в диапазоне давления ДР, МПа) И2, мм/с 22 Ив, мм/с 213
Б V ДР, МПа
20% октогена 2,01 0,32 0,85 - 3,5 2,5 - 8,4 -
1,1 0,79 3,5 - 15
3% ФМС + 1,5% БХК + 1,5% УМ-76 3,22 0,79 0,1 - 4,5 5,6 2,2 18,6 2,2
4,66 0,54 4,5 - 15
3% СН + 1,5% БХК + 1,5% УМ-76 6,84 0,47 0,6 - 15 9,5 3,8 22,8 2,7
Таблица 5. Влияниекомбинированных катализаторов на горение образцов сАМД-10
Катализатор Закон горения И=Бру(в диапазоне давления ДР, МПа) и2, мм/с 22 Ив, мм/с 213
Б V ДР, МПа
20% АМД-10 3,02 0,21 1 - 3,5 3,5 - 9,5 -
1,74 0,66 3,5 - 15
3% ФМС + 1,5% БХК + 1,5% УМ-76 4,68 0,89 0,1 - 0,65 5,8 1,7 19,0 2,0
3,77 0,63 0,65 - 15
3% СН + 1,5% БХК + 1,5% УМ-76 16,58 1,32 0,1 - 0,5 6,9 2 18,7 2,0
6,76 0,03 0,5 - 2
4,92 0,52 2 - 15
Таблица 6. Влияние катализаторов на горение образцов с АСД-4
Катализатор Закон горения И=Бру(в диапазоне давления ДР, МПа) И2, мм/с И13, мм/с ^3
Б V ДР, МПа
20% АСД-4 1,91 0,69 1,3 - 15 3,1 - 11,2 -
3% ФМС + 1,5% БХК + 1,5% УМ-76 3,38 0,66 0,2 - 15 5,3 1,7 18,4 1,6
3% СН + 1,5% БХК + 1,5% УМ-76 4,54 0,77 0,1 - 1,2 5,1 1,7 17,2 1,5
4,75 0,1 1,2 - 2,5
2,72 0,72 2,5 - 15
Аналогичная картина наблюдается и для топлива, содержащее АСД-4 - каталитические добавки слабо влияют на скорость горения.
Таким образом, полученные результаты показали, что из трех рассмотренных добавок, октоген оказывает наименьшее влияние на скорость горения базового топлива. Однако, при этом способность к катализу у данного топлива значительно выше, чем у топлив, содержащих металлическое горючее как сплав АМД-10, так и алюминий АСД-4. Вероятнее всего это может быть связано с большим количеством металлических частиц на поверхности горения, которые затрудняют доступ реагирующих молекул к катализатору.Таким образом, нецелесообразно вводить в топливо большое количество металлического горючего, так как это приводит к ухудшению баллистических характеристик, повышению температуры горения и большому количеству СО в продуктах горения.
Для расширения возможностей регулирования скорости горения топлив с меньшим количеством катализаторов, в дальнейшем целесообразно более
детально изучить соотношение и
количествокатализаторов с УНТ, а такжев качестве катализаторов рассмотретьэкологически чистые (соли железа, висмута и др.). Стоит отметить, что исследованные составы обладают приемлемыми физико-механическими, технологическими
характеристиками.
Список использованных источников
1. Денисюк А. П., Тве Е Зо, Черных С. В. Использование нитрата аммония в баллиститных порохах // Химическая промышленность сегодня. — 2007. — Т. 5. — С. 39-43
2. Тве Е Зо, Денисюк А. П. Механизм горения порохов с нитратом аммония // Вестник Казанского технологического университета. — 2014. — Т. 17. № 9. — С. 65-70.
3. А. П. Денисюк, М. Ю. Гулаков, В. А. Сизов и др. Влияние катализаторов на скорость горения топлив на активном связующем с нитратом аммония // Горение и взрыв. — 2020. — Т. 13, № 4. — С. 116-121.
