Научная статья на тему 'Влияние сажи на скорость и параметры волны горения высококалорийного пороха'

Влияние сажи на скорость и параметры волны горения высококалорийного пороха Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
811
301
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПОРОХ / САЖА / СКОРОСТЬ ГОРЕНИЯ / ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ПРОФИЛЬ / PROPELLANT / SOOT / COMBUSTION RATE / TEMPERATURE DISTRIBUTION

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Е Зо Тве, Денисюк А. П., Сизов В. А.

Изучено влияние различного (0,1-5%) количества мелкодисперсной сажи КГО-250 на закономерности горения высокоэнергетического пороха ( Q ж = 5619 кДж/кг). Показано, что сажа в зависимости от её количества в порохе и давления, при котором происходит горение, может, как увеличивать (на 10-20% при 0,1-1,5% сажи) скорость горения, так и уменьшать её (на ~20% при 5% сажи). Установлено, что 1,5 и 5% сажи оказывают существенное и сложное влияние на температурный профиль в газовой зоне, вероятно, за счет катализа экзотермических реакций с участием NO и за счет эндотермического взаимодействия с CO 2 и H 2 O. Показано, что при горении пороха над реакционным слоем к-фазы формируется слой сажи, температура верхней границы которого на ~50-80 К выше температуры реакционного слоя к-фазы.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Е Зо Тве, Денисюк А. П., Сизов В. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Influence of various (0,1-5 %) quantities of finely dispersed soot KGO-250 on combustion regularities of high-energetic propellant (Q zhe = 5619 kJ/kg) is investigated. It is shown, that depending on the content amount and pressure at which combustion takes place, soot can either increase (up to 10-20 % at 0,1-1,5 % of soot content) combustion rate, or reduce it (by ~20 % at 5 % of soot content). It is established, that 1,5 and 5 % of soot render significant and complex influence on temperature distribution in gaseous zone, probably, for the account of catalyzing exothermic reactions with participation of NO and for the account of endothermic interactions with CO 2 and H 2O. It is shown, that a sooty layer is formed just above the condensedphase reaction layer of propellant, the upper boundary temperature of which is about 50-80 K higher than the temperature of condensedphase reaction layer.

Текст научной работы на тему «Влияние сажи на скорость и параметры волны горения высококалорийного пороха»

УДК 662.311.1

Е Зо Тве, А. П. Денисюк, В. А. Сизов

ВЛИЯНИЕ САЖИ НА СКОРОСТЬ И ПАРАМЕТРЫ ВОЛНЫ ГОРЕНИЯ ВЫСОКОКАЛОРИЙНОГО ПОРОХА

Ключевые слова: порох, сажа, скорость горения, температурный профиль.

Изучено влияние различного (0,1-5%) количества мелкодисперсной сажи КГО-250 на закономерности горения высокоэнергетического пороха @ж = 5619 кДж/кг). Показано, что сажа в зависимости от её количества в порохе и давления, при котором происходит горение, может, как увеличивать (на 10-20% при 0,1-1,5% сажи) скорость горения, так и уменьшать её (на ~20% при 5% сажи). Установлено, что 1,5 и 5% сажи оказывают существенное и сложное влияние на температурный профиль в газовой зоне, вероятно, за счет катализа экзотермических реакций с участием N0 и за счет эндотермического взаимодействия с С02 и Н20. Показано, что при горении пороха над реакционным слоем к-фазы формируется слой сажи, температура верхней границы которого на ~50-80 К выше температуры реакционного слоя к-фазы.

Keywords: propellant, soot, combustion rate, temperature distribution.

Influence of various (0,1-5 %) quantities of finely dispersed soot KGO-250 on combustion regularities of high-energetic propellant (Qzhe = 5619 kJ/kg) is investigated. It is shown, that depending on the content amount and pressure at which combustion takes place, soot can either increase (up to 10-20 % at 0,1-1,5 % of soot content) combustion rate, or reduce it (by ~20 % at 5 % of soot content). It is established, that 1,5 and 5 % of soot render significant and complex influence on temperature distribution in gaseous zone, probably, for the account of catalyzing exothermic reactions with participation of NO and for the account of endothermic interactions with CO2 and H2O. It is shown, that a sooty layer is formed just above the condensed- phase reaction layer of propellant, the upper boundary temperature of which is about 50-80 K higher than the temperature of condensed- phase reaction layer.

Известно, что различные соединения свинца, особенно в сочетании с медьсодержащими веществами, являются эффективными

катализаторами горения нитроглицериновых порохов средней калорийности, содержащих в своем составе дополнительные пластификаторы (динитротолуол (8-12%), дибутилфталат и др. или их сочетания) (см. например [1]). Однако, на горение высокоэнергетических порохов без дополнительных пластификаторов значительное влияние катализаторов появляется лишь при введении в порох сажи [2,3], при этом большое значение имеет соотношение между катализаторами и сажей [4].

Тройной катализатор (соединения свинца и меди + сажа) позволяет в широких пределах регулировать скорость горения порохов различного состава, в том числе с высоким содержанием октогена и снижать зависимость её от давления в широком его диапазоне [5] и от начальной температуры заряда [6].

Основная роль сажи в катализе горения заключается в том, что она вместе с конденсированными продуктами распада нитроцеллюлозы образует на поверхности горения сажистый каркас, на котором происходит накопление частиц катализатора без их агломерации [3,7]. Предполагается также, что сажа может участвовать в реакциях горения, а в том же выполнять и каталитическую роль [3], но экспериментально это не показано.

Целью настоящей работы явилось изучение влияния сажи на скорость и параметры волны горения высококалорийного модельного пороха, состоящего из 39,2% нитроцеллюлозы (НЦ), 58,8% нитроглицерина (НГЦ) и по 1% централита и индустриального масла. Использовали

высокодисперсную сажу КГО-250 (удельная поверхность 250 м2/г). Такая сажа равномерно распределяется по массе пороха, при этом она не плавится, самостоятельно не газифицируется и, вероятнее всего, не вступает в химические реакции непосредственно в к-фазе.

Эти исследования представляют интерес и для выяснения вопроса о влиянии наполнителей на формирование поверхности горения порохов и на её температуру, поскольку они (особенно гораздо более термостойкие, чем основные компоненты пороха) способны создать слой, разделяющий конденсированную и газовую зоны, а также вопроса о взаимосвязи скорости горения с температурой поверхности.

Эти вопросы являются центральными в к-фазной модели горения порохов, и в значительной степени не решенными. В частности, для изученных в [8,9] предлагаемая единая кинетика разложения к-фазы и однозначная зависимость скорости горения порохов от температуры поверхности. Напротив, данные по скорости горения и температуре поверхности горения для других порохов [10] не укладываются в указанную зависимость. Сложность решения указанных вопросов в основном обусловлена следующими обстоятельствами. Во-первых, имеется лишь ограниченное количество данных, по влиянию состава пороха на температуру поверхности и на параметры волны горения (данные по горению получены в основном для пороха Н). Во-вторых, определение самой поверхности горения и соответственно её температуры чрезвычайно сложная задача, особенно, как это подчеркивается в [11] применительно к многокомпонентным составам, когда в к-фазе происходят фазовые превращения отдельных компонентов, термическое разложение наиболее реакционноспособных

соединении, взаимодеиствие продуктов их распада с другими компонентами с образованием пор и пузырьков, в результате чего появляется тепловая неоднородность к-фазы.

Данные этих исследований могут представлять интерес и для выяснения процессов в зонах горения низкокалорииных порохов, в промежуточных продуктах горения которых образуются сажистые частицы [10]. Образцы порохов получали в лабораторных условиях, сажу в количестве 0,1, 0,3, 1,5 и 5% вводили в порох сверх 100%. Некоторые характеристики образцов представлены в табл. 1, из которои видно, что сажа снижает энергетику пороха, и тем сильнее, чем больше её содержание.

Таблица 1 - Характеристики исследованных образцов с сажей

Образец 1 2 3 4 5

% С, масс. 0 0,1 0,3 1,5 5

Ож, кДж/кг 5619 5599 5559 5322 4661

Трасч.(4МПаЬ К 3133 3130 3122 3069 2855

и, мм/с при р, МПа 2 6,2 6,3 6,5 7,5 5

3 8,1 8,7 8,7 9,6 6,4

4 9,8 10,6 10,4 11,2 8

6 13,6 14,8 13,6 14 11

8 17,2 18,4 17,3 16,4 13,7

* « & О 3 3 2 - 1,02 1,05 1,2 0,81

3 - 1,07 1,07 1,18 0,79

4 - 1,08 1,07 1,14 0,82

6 - 1,09 1 1,03 0,81

8 - 1,07 1 0,95 0,8

ис и и0 - скорость горения образца с сажей и без нее соответственно.

Скорость горения порохов определяли на бронированных образцах диаметром 7 мм и высотой ~15 мм в приборе постоянного давления (ППД) в атмосфере азота с регистрацией времени горения датчиком давления. Точность определения скорости горения ±2%.

Температурный профиль при горении образцов определяли по методике [8] с помощью вольфрам-рениевых термопар толщиной ~5 мкм. Разброс данных по температуре поверхности (Тп) составляет 1-3%, по характерным температурам в газовой фазе 2-6% и по градиенту температуры вблизи поверхности горения (ф) 4-26% в зависимости от давления.

Влияние сажи на скорость горения пороха зависит от её содержания и давления, при котором горит порох (табл. 1). Так, 0,1% сажи при давлении выше 1 МПа начинают слабо ускорять горение пороха и при 3-8 МПа прирост скорости достигает 7-9%; при дальнейшем увеличении давления влияние сажи уменьшается. 0,3% сажи до давления 4 МПа увеличивают скорость в той же степени, что и 0,1%, а выше этого давления не влияют на скорость.

1,5% сажи при давлении р < 3 МПа повышают скорость горения на ~20%. При р > 3 МПа положительное влияние сажи уменьшается и при давлении ~7 МПа сажа уже снижает скорость (на ~5%). Повышенное (5%) количество сажи только снижает скорость горения, при этом в области пониженного давления (р<3 МПа) отрицательное влияние сажи уменьшается, поэтому показатель степени V снижается от 0,78 до 0,54.

Рассмотрим теперь температурные профили в волне горения образцов. На исходных осциллограммах температура - время (Т(т)) для всех образцов имеется несколько точек, в которых происходит изменение градиента температуры. Как уже отмечалось, ключевым моментом при обработке исходных осциллограмм Т(т) является установление температуры поверхности (Тп). За Тп принимали точку характерного перегиба - изменение выпуклости кривой на вогнутость, что соответствовало выходу спая термопары из к-фазы в газовую [8]. После этого осциллограмму Т(т), зная скорость горения, перестраивали в зависимость температуры от расстояния (х) от Тп (рис. 1).

1200 1000 800 600

Опыт №3 (2,3 МПа)

Тп = 741К

у /

ф

Т

Т* /

мм

Рис. 1 - Профиль температуры вблизи поверхности горения образца с 5% сажи при давлении 2,3 МПа

На всех кривых Т(х) отмечали характерные температуры и ширину различных зон: /1 - ширина прогретого слоя к-фазы, на которой разогрев падает в е раз: Тд и 1д - температура в дымогазовой зоне (первичное пламя) и ее протяженность; ф = ^^х -градиент температуры, который использовали для расчета теплового баланса к-фазы при горении пороха, вычисляли на расстоянии 50 - 100 мкм от поверхности горения; Ттах - максимальная температура в газовой зоне; /тах - расстояние от Тп до Ттах.

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

Таблица 2 - Средние значения параметров волны горения образцов с сажей и без нее

Параметры Р, МПа Содержание сажи, % мас.

0 1,5 5

¡1, мм 1,3 0,03 0,035 0,023

2,3 0,025 - 0,02

3,4 0,022 - 0,018

4,5 0,02 0,024 0,016

5,3 - - 0,015

Тп#, К 1,3 643 645 701 (5) 651 (3)

2,3 677 - 724 (4) 673 (3)

3,4 701 - 759 (6) 693 (3)

4,5 719 726 793 (6) 726 (5)

5,3 - - 820 (4) 741 (3)

Ф-10"4, К/см 1,3 10,9 13,6 15,7

2,3 13,6 - 17,8

3,4 16,1 - 19,6

4,5 17,8 18,5 20,8

5,3 - - 21,4

Тд, К 1,3 1350 1590 1550

2,3 1370 - 1650

¡д, мм 1,3 2,3 0,089 0,077 0,08 0,078 0,067

Тmax, К 1,3 1500 1785 1745

2,3 2330 - 2060

3,4 2425 - 2105

4,5 2430 2405 2145

5,3 - - 2260

¡max, мм 1,3 0,85 0,59 0,61

2,3 0,41 - 0,43

3,4 0,25 - 0,31

4,5 0,22 0,31 0,26

5,3 - - 0,16

П203, см /с 1,3 1,36 2 0,96

2,3 1,69 2,51 1,1

3,4 1,94 2,72 1,28

4,5 2,16 2,86 1,4

5,3 - - 1,5

Для образца с 5% сажи в скобках указано количество параллельных осциллограмм, на которых отмечены две точки перегиба.

Основные результаты обработки осциллограмм заключаются в следующем. Небольшое (0,1%) количество сажи не влияет на

температурный профиль в волне горения пороха, а 1,5 и 5% сажи существенно изменяют его. Рассмотрим вначале данные по температуре поверхности горения.

Значение Тп для образца с 1,5% сажи при исследованных давлениях примерно такие же и для образца без нее. Для образца с 5% сажи на всех исходных осциллограммах Т(т) в области предполагаемой температуры поверхности имеется точка четкого перегиба, соответствующая выходу спая термопары из к-фазы в газовую. Если её принять за Тп, то полученные значения в диапазоне давления 1,3-4,5 МПа на 58-74 К выше, чем Тп для образца без сажи.

Однако, заметим, что несколько ниже указанной точки на осциллограмме Т(т) большинства опытов можно отметить еще один перегиб, но выраженный менее четко. Его температура практически совпадает с Тп образца без сажи (табл. 2). Среднее расстояние между точками составляет 3-5 мкм.

Для объяснения полученного результата были проведены специальные исследования: видеосъемка горения образцов и электронно-микроскопическое изучение поверхности погашенных образцов пороха. Видеосъемка показала, что при горении образца с 5% сажи при давлении 0,5 МПа на поверхности горения формируется слой сажи, который затем как бы приподнимается над поверхностью, и диспергируется газами на отдельные фрагменты, т.е. границей раздела между конденсированной фазой и газовой зоной является сажистый слой. Горизонтальный участок термопары (ширина ~100 мкм, длина ~2 мм, толщина ~5 мкм) выходит в газовую зону через этот слой, верхняя граница которого имеет более высокую температуру, чем реакционный слой к-фазы. Время существования и высота этого слоя должна зависеть от давления и скорости горения.

Гашение образцов проводили следующим образом. Торцы образцов диаметром 7 мм, длиной 10 мм зачищали наждачной бумагой ("0" размер) до появления ровной и гладкой поверхности. Затем образцы в тисках прижимались к тщательно отполированной медной подложке. Полученная сборка помещалась в шкаф и термостатировалась ~15-20 минут при температуре 70-80 С, после чего образец пороха поджимался в тисках к медной подложке и охлаждался в таком состоянии ~20 минут. В результате этого образец плотно прижимается к отполированной поверхности медного столика. Гашение топлива осуществлялось в ППД в атмосфере азота при заданном давлении. Медная подложка с топливом крепилась к крышке ППД таким образом, чтобы при горении отток газов был вниз и уносимые с газом частицы при погасании не попадали на загашенную поверхность. Анализ полученных данных показал, что поверхность загашенных образцов почти полностью покрыта сажистыми образованиями высотой от 4 до

15

проходя через которые спаи термопары

попадает в газовую зону .

Верхний предел по высоте сажистого слоя, полученный на фотографии поверхности погашенного образца, значительно больше среднего значения расстоянии, вычисленного по осциллограмме Т(х) между двумя точками перегиба. Это вероятно, связано с тем, что при погасании образца нарушается стационарный режим горения.

т, к

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

р = 1,3 МПа

1,5 % С Т m x 5 % С /ч

Тд ---- ' \ j -'1

if

/Л— 0 эз С

Тп

J

J.' x, мм

Рис. 2 - Температурные профили в волне горения образцов без сажи, с 1,5% и 5% сажи при давлении р = 1,3 МПа

Теперь рассмотрим влияние сажи на температурный профиль в газовой зоне. Оно совершенно очевидно. Так, для образца без сажи при пониженном давлении (1,3 МПа) после быстрого роста температуры до ~1350 К наблюдается лишь небольшое её увеличение (до 1490 К), которая на ~360 К превышает расчетное значение температуры первичного пламени при условии, что ЫОг восстанавливается только до N0 (рис. 2). Это связано с тем, что при горении порохов и отдельных нитроэфиров при низких давлениях в первичном пламени (дымогазовая зона), кроме N0 содержится некоторое количество N2. В отличие от этого, для образца с 1,5% и 5% сажи быстрый рост температуры над поверхностью горения происходит до ~1600 К, т.е. на ~250 К выше, чем для образца без сажи. Затем температура повышается, но более медленно, до ~1800 К и становится на 370 К больше, чем для образца без сажи. После этого происходит медленное падение температуры на ~200К. Это можно связать только с протеканием эндотермических реакций:

С + СО2 ~ 2СО, АН = 171,8 кДж/моль

С + Н2О ~ СО + Н2; АН = 129,9 кДж/моль.

Отсюда следует, что сажа или значительная её часть не исчезает в зоне от Тп до конца быстрого роста температуры (до ~1800 К), т.е. не взаимодействует непосредственно с оксидами азота (N0^ N0). Можно полагать, что она является катализатором взаимодействия N0 с СО и Н2 и др. горючими. Некоторое небольшое количество сажи возможно реагирует с СО2 и Н2О в зоне до максимальной температуры, т.к. её рост от 1600 до

1860 К происходит с уменьшающейся скоростью.

Отметим, что равновесие указанных реакций с

ростом давления смещается влево, а с ростом

температуры, вправо. Но в условиях горения

образцов даже при р = 10 МПа и при температуре

1500 К отношение С0/С02 равно 10 [12].

Расчеты показывают, что для снижения

температуры на 200 К за счет реакции сажи с С02

обеспечивается при её содержании ~2,3%, т.е. на

0,8% выше, чем введено в порох. Однако, это

недостающее количество сажи может образоваться

при разложении 1% индустриального масла

(содержание углерода 0,85%) и 1% централита

(содержание углерода 0,75%).

2800 т, к

2400

1 Авторы благодарны к.т.н. Демидовой Л.А. за помощь в проведении электронномикроскопических исследований.

-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4

Рис. 3 - Температурные профили в волне горения образцов без сажи, с 1,5% и 5% сажи при давлении р = 4,5 МПа

При более высоком (4,5 МПа) давлении 1,5% сажи до температуры ~1800 К почти не влияют на профиль, но несколько увеличивают скорость тепловыделения, так как, время достижения температуры от Тп до 1800 К для образца с сажей несколько меньше, чем для исходного пороха. Это время равно расстоянию (L*) от Тп до 1800 К, деленному на скорость движения газов, которая определяется из условий неразрывности потока: UKpK = Urpr , где индексы "к" и "г" относятся к конденсированной и газовой фазе соответственно. Плотность газа рг = ро'То/Т-i, где Т - средняя температура газов, К; р0 = Мср./22400, г/см ; Мср. вычисляли по составу газов, полученных по программе "REAL". Для сравниваемых образцов значении L* одинаковы (рис. 3), а скорость движения газов для образца с сажей в 1,14 раза выше, чем для исходного.

Выше температуры 1800 К сажа значительно уменьшает скорость тепловыделения, в результате чего максимальная температура горения (~2400 К) достигается на расстоянии в ~ 1,5 раза большем, чем для образца без сажи. Это происходит за счет того, что при температуре выше 1600 К наряду с экзотермическими реакциями протекают указанные выше эндотермические реакции с участием сажи.

Для образца с 5% сажи до Т ~1800 К наблюдается более крутой профиль по сравнению с исходным порохом (рис. 3), при этом сажа ускоряет, как и для образца с 1,5% сажи, тепловыделение в этой зоне, так как указанное расстояние L* равно 60

0.5

0.75

1.5

мкм, что в 1,33 раза меньше чем для исходного образца (80 мкм), а скорость движения газов для него в 1,23 раза меньше.

Полученные величины Ттах значительно ниже расчетных значений (табл. 1 и 2), что обусловлено теплопотерями термопарой за счет излучения [8]. Как показано в [14] при расчетной температуре горения равной ~3060К экспериментально замеренная температура на ~650 К ниже.

Теперь рассмотрим возможные причины повышения скорости горения пороха при введении в его состав 1,5% сажи. Во-первых, сажа несколько повышает значение Ф и возможно увеличивает теплопроводность зоны над поверхностью пороха за счет накопления в ней сажистых частиц. Во-вторых, для образца с сажей наблюдается некоторое расширение прогретого слоя, вероятно, за счет тепла, поступающего в к-фазу излучением. Коэффициент температуропроводности х для образца с сажей при давлении 2 МПа в 1,5 раза выше, чем для исходного пороха (табл. 2) (при этом скорость горения увеличивается на 20%), а при давлении 4,4 МПа - в 1,3 (скорость увеличивается на ~10%). Возможно, за счет этого фактора происходит небольшое увеличение скорости горения и при малом содержании сажи (0,1 и 0,3).

Рис. 4 - Температурные профили в волне горения образцов без сажи и с 5% сажи при давлении р = 2,3 МПа

5% сажи также значительно изменяют профиль волны горения исходного пороха (рис. 4). При исследованных давлениях градиент температуры (ф) над поверхностью горения (от Тп до ~1000 К) увеличивается в ~1,3 раза. Кроме того, при р = 2,3 МПа дальнейший рост температуры до ~1650 К для образца с сажей происходит гораздо быстрее, чем для исходного образца: так, расстояние, на котором это достигается, для образца с сажей в ~4 раза меньше, чем для исходного образца. Однако, в присутствии сажи дальнейшее повышение температуры (до ~2000 К) происходит с меньшей скоростью, и при давлениях 2,3, 3,4 и 4,5 МПа она достигается на расстоянии ~0,45, 0,2 и 0,1 мм, после чего температура растет очень слабо, при этом наблюдаются её небольшие колебания, вероятно, из-за налипания на спай термопары оставшихся сажистых частиц и их последующего

сброса, возможно с протеканием эндотермической реакции их с СО2 и Н2О.

Для образца без сажи после достижения температуры ~1600 К происходит быстрый её рост до максимального значения ~2400 К, которое на ~300 К выше, чем у образца с 5% сажи (расчетные температуры отличаются на 283 К).

Причины, по которым наблюдаются сильные различия между температурными профилями в газовой зоне образца без сажи и с 5% сажи были высказаны выше применительно к образцу с 1,5% сажи и заключаются в том, что сажа может как ускорять тепловыделение в газовой зоне, выполняя каталитическую роль, вероятно, в реакциях с участием N0, так и замедлять тепловыделение в результате её эндотермического взаимодействия с СО2 и Н2О.

Отметим, что образец с 5% сажи имеет даже несколько меньшее значение х, чем исходный порох. Это связано с тем, что при горении на его поверхности существует плотный сажистый слой, поглощающий излучение из высокотемпературной зоны, что исключает уширение прогретого слоя.

На основании полученных параметров волны горения образцов (табл. 2) составлен тепловой баланс к-фазы с учетом затраты тепла на испарение неразложившейся части НГЦ.

Таблица 3 - Тепловой баланс к-фазы образцов

Параметры P, МПа Содержание сажи, % масс.

0 1,5 5

qх, Дж/г 1,3 95 99 164

2,3 88 143

3,4 84 126

4,5 78 74 114

0к, Дж/г 1,3 532 533 477

2,3 512 618

3,4 520 664

4,5 545 559 519

е,% Юк/(Р^))-100 1,3 85 84 74

2,3 85 81

3,4 86 84

4,5 87 88 82

Как видно из табл. 3 для всех образцов основное количество тепла для распространения горения выделяется в к-фазе. При этом для образца с 5% сажи ввиду повышенного значения ф и меньшей скорости его горения доля тепла, поступающего из газовой зоны = (Х/ри)-ф) несколько выше, чем для исходного пороха и образца с 1,5% сажи.

Полученные данные позволяют внести дополнительные моменты в механизм катализа горения порохов. Сажа совместно с сажистыми образованиями из нитроцеллюлозы не только создает каркас, на котором накапливаются частицы

катализатора без их агломерации, но оказывает существенное каталитическое влияние на окислительно-восстановительные реакции с участием N0, но в зоне, не влияющей на скорость горения. Катализаторы же, по-видимому, ускоряют реакции с участием N02 на каркасе, непосредственно граничащим с реакционным слоем к-фазы, при этом происходит восстановление оксидов и солей свинца и меди с образованием металлических частичек, поэтому коэффициент теплопроводности каркаса значительно - в 10-15 раз превышает теплопроводность газовой зоны. В результате этого, основное количество тепла, необходимое для распространения горения поступает в к-фазу из этого каркаса, приводит к значительному увеличению скорости [7] ( вплоть до 4-5 раз). Таким образом, в этом случае ведущая реакция протекает не в к-фазе, как для пороха без катализаторов, а в зоне над поверхностью горения пороха, поэтому скорость горения слабо зависит от начальной температуры заряда [6]. Теплопроводность сажистого слоя (каркаса) без частичек металлов может лишь несколько превышать теплопроводность газа. Поэтому 5% сажи, хотя и увеличивает значение ф (на ~30%), но это не компенсирует отрицательного её влияния на тепловой эффект в к-фазе за счет её разбавления. Поэтому сажа уменьшает скорость горения на ~20%.

Выводы

1. Изучено влияние различного (0,1-5%) количества мелкодисперсной сажи КГ0-250 на закономерности горения высокоэнергетического пороха (Ож = 5619 кДж/кг).

2. Показано, что сажа в зависимости от её количества в порохе и давления, при котором происходит горение, может, как увеличивать (на 10-20% при 0,1-1,5% сажи) скорость горения, так и уменьшать её (на ~20% при 5% сажи).

3. Установлено, что 1,5 и 5% сажи оказывают существенное и сложное влияние на температурный профиль в газовой зоне, вероятно, за счет катализа экзотермических реакций с участием N0 и за счет эндотермического взаимодействия с С02 и Н20.

4. Показано, что при горении пороха над реакционным слоем к-фазы формируется слой сажи, температура верхней границы которого на ~50-80 К выше температуры реакционного слоя к-фазы. Поэтому для установления кинетических параметров ведущей реакции в к-фазе и взаимосвязи скорости горения с

величиной Тп необходимо использовать температуру реакционного слоя пороха, т.е. температуру нижней границы сажистого слоя.

Литература

1. Андросов А. С. О некоторых закономерностях влияния свинцово-медных катализаторов на скорость горения баллиститного пороха / А.С. Андросов, А.П. Денисюк, Н.П. Токарев // Физика горения и взрыва. - 1976. - Т.12, № 5. - С. 780-782.

2. О роли отдельных компонентов при катализе горения баллиститных порохов / А.С. Андросов [и др.] // Физика горения и взрыва. - 1975. - Т. 11, № 1. - С. 18-26.

3. Роль сажи при горении баллиститных порохов со свинецсодержащими катализаторами / А.П. Денисюк [и др.] // Физика горения и взрыва. - 1977. - Т. 13, № 4. -С. 576-584.

4. Денисюк, А.П. О влиянии соотношения между PbO с сажей на скорость горения баллиститного пороха / А.П. Денисюк, Т.М. Козырева, В.Г. Хубаев // Физика горения и взрыва. - 1975. - Т. 11, № 3. - С. 315-318.

5. Влияние гексогена и октогена на эффективность действия катализаторов горения баллиститных порохов / А.П. Денисюк [и др.] // Физика горения и взрыва. - 2001. - Т. 37, № 2. - С. 77-83.

6. Архипов, А.Г. Влияние катализаторов на температурный коэффициент скорости горения конденсированных систем на основе нитроцеллюлозы / А.Г. Архипов, А.П. Денисюк // Физика горения и взрыва. - 1990. - Т. 26, № 5. - С. 65-69.

7. Денисюк, А. П. Ведущая зона горения баллиститных порохов с катализаторами / А.П. Денисюк, Л.А. Демидова, В.И. Галкин // Физика горения и взрыва,

1995, Т.31, № 2, С.32-40.

8. Зенин, А.А. Изучение распределений температуры при горении конденсированных веществ: дис. ... канд. физ.-мат. наук / А. А. Зенин - М.: ИХФ АН СССР. 1962. - 164 с.

9. Зенин, А. А. Процессы в зонах горения баллиститных порохов: физические процессы при горении и взрыве -М.: Атомиздат, 1980. - С. 68-105.

10. Денисюк, А.П. Особенности профиля температуры в волне горения низкокалорийных порохов / А.П. Денисюк, Е Зо Тве // Физика горения и взрыва. - 2011. -Т.47, № 2. - С. 66-73.

11. Термическое разложение и горение взрывчатых веществ и порохов / Манелис Г. Б. [и др.] - М.: Наука,

1996, - 223 с. - ISBN 5-02-001906-2.

12. Лавров, Н.В. Термодинамика реакций газификации и синтеза из газов / Н.В. Лавров, В. В. Коробов, В. И. Филиппова - М.: Изд-во АН СССР, 1960. - 100 с.

13. Денисюк, А. П. Взаимодействие углеродных материалов с пороховыми газами / А. П. Денисюк, Ю. Г. Шепелев // Физика горения и взрыва. 1989. Т. 25, № 4. -С. 25-32.

© Е Зо Тве - канд. техн. наук, докторант РХТУ им. Д.И. Менделеева, [email protected]; А. П. Денисюк - д-р техн. наук, проф., зав. каф. ХТВМС РХТУ им. Д.И. Менделеева, [email protected]; В. А. Сизов - вед. инж. той же кафедры, [email protected].

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.