CC BY
27
УДК 544.452.2
ВЛИЯНИЕ СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА ИЗЛУЧЕНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАЖИГАНИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СИСТЕМ
*КОРОТКИХ А.Г., КУЗНЕЦОВ В Т., АРХИПОВ В.А., ЕВСЕЕНКО И.А.
*Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30
Научно-исследовательский институт прикладной математики и механики Томского государственного университета, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36
АННОТАЦИЯ. Представлены характеристики зажигания модельного состава гетерогенной конденсированной системы, содержащей порошок алюминия разной дисперсности, при лучистом подводе тепла. В качестве источника тепла использовались установки интегрального «Уран-1» и монохроматического (СО2-лазер) лучистого нагрева. Установлено, что время задержки зажигания модельного состава гетерогенной конденсированной системы на основе перхлората аммония, бутилкаучука и порошка алюминия СО2-лазером в 1,3-4,0 раза меньше, чем установкой «Уран-1» при одинаковых условиях зажигания, что может быть связано с оптическими свойствами крупных кристаллов окислителя, горючего-связующего и толщиной реакционного слоя образца. Уменьшение среднемассового размера частиц алюминия приводит к снижению влияния спектрального состава излучения.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: гетерогенная конденсированная система, зажигание, интегральное излучение, монохроматическое излучение.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время целый ряд ведущих научных центров ведут исследовательские работы в области лучистого зажигания гетерогенных конденсированных систем (ГКС). В большинстве работ в качестве источника излучения используются импульсного и постоянного действия оптические квантовые генераторы на неодимовом стекле (длина волны излучения X = 1,06 мкм), на углекислом газе (X = 10,6 мкм) [1] и оптические печи с интегральным спектром излучения (X = 0,25-1,85 мкм) [2].
Для снижения оптической неоднородности поверхности в исследуемые составы ГКС, как правило, вводится сажа в количестве не более 1 масс. %. В ряде работ отмечалось, что добавление сажи не является эффективным средством увеличения поглощательной способности составов при воздействии лазеров на углекислом газе. Кроме того, в случае, когда тонкий слой сажи наносится на поверхности исследуемого состава ГКС, возможен унос этого поглощающего слоя при воздействии лучистых потоков высокой плотности [3].
Кристаллы окислителя ГКС, вторичные взрывчатые вещества обладают высокой прозрачностью на длине волны излучения X = 1,06 мкм, что обуславливает специфику их воспламенения. В работах [4, 5] установлено, что при воздействии достаточно мощных лазерных импульсов милисекундной длительности при пороговых параметрах зажигания тэна гомогенный разогрев вещества составляет несколько градусов и для выяснения механизма зажигания необходимо учитывать влияние сильнопоглощающих локальных неоднородностей (очагов). Температура поглощающего очага за время зажигания может достигнуть высоких значений, при которых становится существенным выгорание вещества и процесс носит вырожденный характер. Этот вопрос представляет значительный интерес при изучении механизма ударного и ударно-волнового инициирования взрывчатого вещества. В работе [6] авторы показали, что на пороги и времена задержки зажигания прессованных образцов стехиометрической смеси перхлората аммония и порошка алюминия влияет длительность импульса и плотность потока лазерного излучения.
Результаты по зажиганию гетерогенных конденсированных систем монохроматическим потоком излучения (в основном СО2-лазером) [7 - 9] показали, что с увеличением плотности
потока излучения q времена задержки зажигания tign ГКС уменьшаются. Сопоставить результаты исследований затруднительно, поскольку в работах использовались разные компонентные составы. Однако можно выделить следующие основные особенности:
1) аппроксимация опытных данных времени задержки зажигания от плотности потока излучения проводилась степенной зависимостью tign (q), при этом значения показателя n
находились в пределах 1,40-1,82 в диапазоне q = 105-837 Вт/см [7], n = 1,25-1,33 при q = 100-500 Вт/см2 [8], n = 1,42-3,16 при q = 60-200 Вт/см2 [9];
2) на время задержки зажигания заметное влияние оказывает размер кристаллов окислителя и частиц порошка алюминия, входящего в состав ГКС до 20 масс. %.
Данные по влиянию плотности потока излучения на характеристики зажигания получены для гомогенных конденсированных систем [10, 11], поэтому сравнительных оценок влияния спектрального состава излучения на эффективность зажигания одинаковых составов ГКС не проводилось.
В данной работе представлен сравнительный анализ влияния спектрального состава потока излучения на характеристики зажигания модельного состава ГКС на основе перхлората аммония (ПХА) и бутилкаучука, содержащего микроразмерный (АСД-4) или ультрадисперсный (Alex) порошки алюминия, при действии монохроматического (к = 10,6 мкм) и интегрального (к = 0,25-1,85 мкм) потока излучения.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследование процесса зажигания модельного состава ГКС на основе ПХА и бутилкаучука, содержащего порошок алюминия разной дисперсности, проводили в воздухе при нормальных условиях в диапазоне плотности потока излучения q = 15-280 Вт/см .
Установка интегрального излучения «Уран-1»
Для исследования характеристик зажигания модельного состава ГКС интегральным потоком излучения использовали установку «Уран-1» (рис. 1) [2].
Рис. 1. Схема установки интегрального лучистого нагрева «Уран-1»
Излучатель установки состоит из эллиптического зеркала и ксеноновой лампы типа ДКсР-10000 номинальной тепловой мощностью 10 кВт. При этом тепловые потери, связанные с охлаждением водой, воздухом источника излучения, составляют 4,5 кВт. Распределение мощности излучения по областям спектра составляет 0,5 кВт (9 %) в ультрафиолетовой части спектра, 1,93 кВт (35 %) в видимой части, 2,2 кВт (40 %) в инфракрасной части при X = 0,8-1,0 мкм и 0,88 кВт (16 %) в инфракрасной части при X > 1,0 мкм (рис. 2). Излучение ксеноновой лампы фокусировали эллиптическим зеркалом в
пятно диаметром 12 мм, при этом мощность излучения, подающая на образец, составляла ~0,6 кВт. Данная мощность соответствует интегральному излучению абсолютно черного тела при температуре 3110 К. В соответствии с законом Планка максимальная плотность потока монохроматического излучения черного тела наблюдается при
2 "ГТ
длине волны X = 0,94 мкм и равна дХтах = 3,75 кВт/см . При длине волны излучения X = 10,6 (СО2-лазер) относительная плотность потока монохроматического излучения черного тела составляет 1,36-10" (дх = 5,2 Вт/см ).
^Хтах 0.8
0.6 0.4
0.2 0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 X, МКМ
Рис. 2. Распределение спектральной плотности потока излучения ксеноновой лампы и абсолютно черного тела при температуре 3110 K
Время задержки зажигания tign модельного состава ГКС определяли по появлению пламени, регистрируемого ионизационным датчиком. Электроды ионизационного датчика располагались на расстоянии 3-5 мм от поверхности образца ГКС, на которые подавалось напряжение 600 В. При действии интегрального потока излучения от ксеноновой лампы электрический сигнал фотодиода ФД-9 запускал развертку запоминающего осциллографа OWON, а по появлению пламени срабатывал ионизационный датчик, сигнал которого также регистрировался осциллографом. Показания разности двух сигналов на развертке осциллографа соответствовали времени задержки зажигания ГКС. Время действия импульса интегрального потока излучения подбирали из условия устойчивого зажигания модельного состава ГКС, которое превышало время задержки зажигания образцов. Мощность потока излучения установки интегрального лучистого нагрева «Уран-1» измеряли калориметрическим методом с относительной погрешностью не более 10 %.
Установка монохроматического излучения (СО2-лазер)
Для измерения времени задержки зажигания ГКС при действии монохроматического потока излучения использовали установку на основе оптического квантового генератора -одномодового СО2-лазера непрерывного действия с длиной волны излучения 10,6 мкм и максимальной мощностью 100 Вт (рис. 3). Диаметр пучка выходного монохроматического потока излучения составлял 20 мм.
Излучение СО2-лазера (1) при открытии затвора центрального типа (6) фокусировалось системой зеркал (3) и линзой (4) из хлорида натрия на исследуемый образец ГКС (9). Время задержки зажигания определяли по сигналам двух фотодиодов (7), один из которых при открытии затвора включал развертку запоминающего осциллографа Owon PDS7102 (8), второй регистрировал появление пламени образца ГКС. Относительная погрешность измерения tign при величине доверительной вероятности 0,95 составляла 3-7 %. Мощность лазерного излучения, падающего на образец ГКС, измерялась измерителем средней мощности излучения (5) марки ИМО-2. Для визуализации процесса зажигания и измерения температурного поля поверхности состава ГКС использовали тепловизор Jade J 530 SB (2).
C02 N2 Не
Рис. 3. Схема установки монохроматического излучения (СО2-лазер)
Компонентный состав модельной гетерогенной конденсированной системы
Экспериментальное исследование характеристик зажигания ГКС при лучистом подводе тепла проводили на модельном составе, состоящем из ПХА дисперсностью (160-315 мкм) и инертного горючего-связующего бутилкаучука марки БКЛ. В качестве порошка алюминия использовали микроразмерный порошок марки АСД-4 (d43 = 7,34 мкм) и ультрадисперсный порошок алюминия марки Alex (d43 = 0,18 мкм), полученный методом электрического взрыва проводника в аргоне [12]. Содержание компонентов в модельном составе ГКС представлено в табл. 1. Коэффициент отражения поверхности модельного состава ГКС, определенный на шаровом фотометре ФМШ-56М в диапазоне длин волн X = 0,36-1,10 мкм, составлял 11-13 % и практически не зависел от длины волны излучения. Для снижения оптической неоднородности поверхности горения в процессе изготовления образцов ГКС вводилась ламповая сажа со средним размером частиц d43 = 48 нм в количестве 1 масс. % (сверх 100 масс. %).
Таблица 1
Компонентный состав модельной ГКС
Состав № Содержание компонентов, масс. %
ПХА БКЛ АСД-4 Alex Сажа
1 72 18 10 1
2 72 18 10 1
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Получены зависимости времени задержки зажигания ГКС от плотности потока излучения. Некоторые результаты измерений, осредненные по трем дублирующим опытам для каждого значения плотности потока излучения, представлены на рис. 4 . Относительная погрешность измерения ит при величине доверительной вероятности 0,95 составляла 3-7 %.
Аппроксимация опытных данных проводилась методом наименьших квадратов с использованием степенной зависимости
= а • д-п, (1)
где [^п] = мс; [д] = Вт/см2.
Полученные при этом значения параметров а, п в диапазоне д = 15-280 Вт/см2 приведены в табл. 2. Дисперсия адекватности £ = - ^^) ^п - 2) аппроксимационной
зависимости (1), характеризующая отклонения данных ^ , полученных расчетом, от реальных экспериментальных результатов ^ для i точки находилась в пределах £ = 9-19 мс.
10_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_1_
10 30 100 300 я, Вт/см2
Рис. 4. Зависимость времени задержки зажигания ГКС от плотности потока излучения ГКС
Таблица 2
Значения а и пуравнения (1)
Состав № а-10-5 n
Уран-1 СО2-лазер Уран-1 СО2-лазер
1 (Alex) 1,73 0,14 1,74 1,32
2 (АСД-4) 3,57 0,40 1,76 1,52
На установке интегрального лучистого нагрева «Уран-1» при увеличении q от 70 до 280 Вт/см время задержки зажигания tign уменьшается от 200 до 15 мс - для состава 2 ГКС, содержащего АСД-4. Для состава 1 ГКС, содержащего Alex, время задержки зажигания tign уменьшается от 160 до 15 мс при увеличении q от 60 до 215 Вт/см2. Отношение времени задержки зажигания tign состава 2 c АСД-4 к tign состава 1 с Alex составляет Kig = 1,9 при q = 60-280 Вт/см2.
На установке монохроматического лучистого нагрева (СО2-лазер) при увеличении q от 15 до 60 Вт/см время задержки зажигания tign уменьшается от 619 до 78 мс - для состава 2 ГКС, содержащего АСД-4, от 382 до 61 мс - для состава 1 ГКС, содержащего Alex. Отношение времени задержки зажигания tign состава 2 c АСД-4 к tign состава 1 с Alex Kig уменьшается от 1,7 до 1,3 при увеличении q от 15 до 60 Вт/см2.
Влияние спектрального состава излучения на характеристики зажигания модельной ГКС оценивалось коэффициентом K равным отношению времени задержки зажигания tign образца на установке «Уран-1» к tign на СО2-лазере. Значения K в зависимости от плотности потока излучения представлены в табл. 3.
Таблица 3
Значения K в зависимости от плотности потока излучения
Состав № Значение K при q
30 Вт/см2 60 Вт/см2 120 Вт/см2 240 Вт/см2
1 (Alex) 3,05 2,28 1,70 1,27
2 (АСД-4) 4,02 3,42 2,90 2,46
Анализ результатов показал, что время задержки зажигания состава 1, содержащего Alex, при интегральном потоке излучения в 1,27-3,05 раза больше, чем при монохроматическом, tign состава 2, содержащего АСД-4, в 2,46-4,02 раза больше при одинаковых значениях плотности потока излучения. С увеличением плотности потока излучения разница в времени задержки зажигания ГКС уменьшается. Причем разница во
времени задержки зажигания зависит от размера частиц и химической активности порошка алюминия. Оценочный расчет показал, что при q = 420 Вт/см2 время задержки зажигания tign = 4,67 мс - для состава 1, содержащего Alex, и не будет зависеть от спектрального состава излучения. Для состава 2, содержащего АСД-4, при q = 11 кВт/см2 tign = 0,03 мс, что возможно связано с толщиной реакционного слоя ГКС и химической активностью порошка алюминия.
Лучистый поток тепла, попадая на поверхность образца ГКС, поглощается, другая часть - отражается. Доля поглощенного потока излучения и толщина реакционного слоя зависит от показателя поглощения исследуемого состава ГКС, длины волны и плотности потока излучения. Отметим, что компоненты ГКС - горючее-связующее и кристаллы окислителя обладают различными показателями поглощения, что приводит к различию доли поглощенной тепловой энергии, получаемой компонентами на начальном этапе зажигания. В результате, прогрев кристаллов окислителя ПХА может запаздывать, полимерное горючее-связующее за счет своей теплопроводности будет нагревать прилегающие кристаллы ПХА и частицы алюминия. Скорость прогрева и толщина реакционного слоя ГКС будут зависеть от размера частиц окислителя и алюминия.
Существует возможность того, что лучистый поток тепла, проходящий через кристаллы окислителя, вызовет локальные «горячие пятна» в подповерхностных слоях конденсированной системы и тем самым в значительной степени увеличит вероятность возникновения реакций разложения в этих слоях во время процесса зажигания. В результате температура в подповерхностных слоях может быть значительно больше, чем температура на поверхности конденсированной фазы [9].
При облучении коротким импульсом излучения минимальная энергия зажигания прямо пропорциональна глубине поглощения света [13]. Время задержки зажигания зависит от компонентного состава ГКС, плотности потока излучения и условий теплообмена с окружающей средой. Если в процессе лучистого зажигания ГКС доминируют гетерогенные реакции, влияние окружающей среды незначительно. Однако, если важным элементом процесса зажигания ГКС являются реакции в газовой фазе (при небольших значениях плотности потока излучения), то влияние среды увеличивается за счет снижения температуры и скорости протекания химических реакций.
ВЫВОДЫ
1. Время задержки зажигания модельного состава гетерогенной конденсированной системы на основе перхлората аммония и бутилкаучука, содержащего 10 масс. % порошок алюминия, при инициировании СО2-лазером в 1,3-4,0 раза меньше, чем установкой «Уран-1» в диапазоне плотности потока излучения 30-240 Вт/см при одинаковых условиях зажигания.
2. Время задержки зажигания гетерогенной конденсированной системы зависит от показателя поглощения компонентов, плотности потока излучения и условий теплообмена с окружающей средой.
3. Устойчивый режим зажигания и горения гетерогенной конденсированной системы определяется показателем поглощения компонентов, их дисперсностью и определяется тепловым механизмом зажигания. При поглощении теплового потока излучения температура в подповерхностных слоях конденсированной системы повышается быстрее, чем при передаче тепла за счет теплопроводности от поверхности образца, что определяет время задержки и устойчивость зажигания ГКС.
4. Прогрев реакционного слоя и скорость химической реакции разложения компонентов гетерогенной конденсированной системы зависит от дисперсности порошка алюминия. При уменьшении среднемассового размера частиц (увеличения химической активности порошка) алюминия время задержки зажигания уменьшается в 1,3-1,9 раза в зависимости от плотности и спектрального состава потока излучения.
Работа выполнена при поддержке Государственного контракта № 11.519.11.3004 по теме «Применение нанопорошков металлов в энергетических и керамических технологиях» выполняемой в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Брюннер В., Юнге К. Справочник по лазерной технике. М. : Энергоатомиздат, 1991. 543 с.
2. Лопатина Г.Г., Сасоров В.П., Спицын Б.В. и др. Оптические печи. М. : Металлургия, 1969. 217 с.
3. Страковский Л.Г. Об очаговом механизме зажигания некоторых вторичных ВВ монохроматическим световым импульсом // Физика горения и взрыва. 1985. Т. 21, № 1. С. 41-45.
4. Адуев Б.П., Нурмухаметов Д.Р. Влияние добавок наноалюминия на чувствительность тетранитропентаэритрита к лазерному воздействию // Химическая физика. 2011. Т. 30, № 3. С. 63-65.
5. Адуев Б.П., Белокуров Г.М., Гречин С.С. и др. Роль ударных волн при инициировании взрыва тетранитропентаэритрита импульсным пучком электронов // Химическая физика. 2010. Т. 29, № 6. С. 54-57.
6. Медведев В.В., Ципилев В.П., Ильин А.П. и др. Зажигание пиротехнических составов, содержащих перхлорат аммония + алюминий, лазерным излучением миллисекундной длительности // Химическая физика. 2005. Т. 24, № 11. С. 94-96.
7. Atwood A.I., Ford K.P., Bui D.T. et al. Radiant ignition studies of ammonium perchlorate based propellants // Progress in Propulsion Physics: EUCASS Book series advances in aerospace sciences. M. : TORUS PRESS, 2009. V. 1. P. 121-140.
8. DeLuca L.T., Cozzi F., Manenti S. et al. Ballistic testing of clean solid rocket propellants // Proc. 32nd International Annual Conference of ICT «Energetic Materials: Production, Processing and Characterization», Karlsruhe, Germany, 2001. P. 10-1-10-14.
9. Arkhipov V.A., Korotkikh A.G. The influence of aluminum powder dispersity on composite solid propellants ignitability by laser radiation // Combustion and Flame. 2012. V. 159. P. 409-415.
10. DeLuca L.T., Ohlemiller T.J., Caveny L.H. et al. Radiative ignition of double-base propellants: II. Pre-ignition events and source effects // AIAA Journal. 1976. V. 14, № 8. P. 1111-1117.
11. Кузнецов В.Т., Марусин В.П., Скорик А.И. К вопросу о механизме зажигания гетерогенных систем // Физика горения и взрыва. 1974. Т. 10, № 4. С. 526-529.
12. Архипов В.А., Бондарчук С.С., Коротких А.Г. и др. Технология получения и дисперсные характеристики нанопорошков алюминия // Горный журнал. 2006. № 4.С. 58-65.
13. Ассовский И.Г. Физика горения и внутренняя баллистика. М. : Наука, 2005. 357 с.
THE INFLUENCE OF SPECTRAL COMPOSITION OF RADIATION ON THE IGNITION CHARACTERISTICS OF COMPOSITE SOLID PROPELLANTS
*Korotkikh A.G., Kuznetsov V.T., Arkhipov V.A., Evseenko I.A. *National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia
Research Institute of Applied Mathematics and Mechanics of Tomsk State University, Tomsk, Russia
SUMMARY. The ignition characteristics of the composite solid propellants containing aluminum powder of different dispersity the radiant heat addition are presented. As a heat source used the installation of integral «Uran-1» and monochromatic CO2-laser radiant heat. Found that the ignition delay time of the composite solid propellants by a CO2-laser in 1.3-4.0 times less than by an installation «Uran-1», which is associated with the optical properties of large crystals of oxidizer, binder and the reaction layer thickness of sample. The decrease of mean aluminum particle size reduces the influence of spectral composition of radiation.
KEYWORDS: composite solid propellant, ignition, integral radiation, monochromatic radiation.
Коротких Александр Геннадьевич, кандидат физико-математических наук, доцент НИ ТПУ, тел. (3822)42-08-37, е-mail: [email protected]
Кузнецов Валерий Тихонович, кандидат технических наук, заведующий лабораторией НИИПММ ТГУ, тел. (3822)52-96-56, е-mail: [email protected]
Архипов Владимир Афанасьевич, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий отделом НИИ ПММ ТГУ, тел. (3822)52-96-56, е-mail: [email protected]
Евсеенко Иван Анатольевич, аспирант ТГУ
