[Назад...]         [Содержание]         [Далее...]

3.3. СТАЦИОНАРНОЕ ГОРЕНИЕ НИТРАМИННЫХ ТОПЛИВ

    Практический интерес к нитраминным ТРТ побудил ряд исследователей к изучению механизма горения этих топлив [10, 138]. Наиболее универсальной является модель, предложенная Бен-Реувеном и Кейвни [10], которая отличается тем, что в аналитическую схему включена химия горения и используются строгие уравнения сохранения массы и энергии. Все это обеспечивает хорошую базу для анализа проблемы горения нитраминных ТРТ. В недавней работе [27] химический механизм горения топлив на основе ЦТМТН модифицирован в соответствии с результатами последних исследований [48, 153]. Стандартная схема реакций, по которой образуются СН2О и N2O, детально разработана; кроме того, рассматривается альтернативная схема с образованием H2CN и NO2. Сделан ряд упрощений, облегчающих выполнение численных расчетов. Для конденсированной фазы решение получено в замкнутой форме. Поскольку в уравнениях неразрывности не учитывались диффузионные потоки массы, это упростило численное интегрирование уравнений в газовой фазе без ущерба для газодинамических особенностей проблемы. Однако в уравнении энергии диффузионный член, как правило, следует учитывать. Обсуждаемую модель можно применять также для оценки предельных случаев и поиска возможных модификаций процесса горения, которые могут представлять интерес для практики. Более подробно эти вопросы рассмотрены в статье [27].

3.4. СТАЦИОНАРНОЕ ГОРЕНИЕ СМЕСЕВЫХ ТОПЛИВ

3.4.1. ГОРЕНИЕ ПЕРХЛОРАТА АММОНИЯ

    При исследовании горения ПХА как монотоплива экспериментально обнаружено существование нижнего допустимого предела горения по давлению (около 2 МПа), причем скорость горения одиночных кристаллов или высокоплотных дисков ПХА составляет 2 - 3 мм*с-1. На величину этого порогового давления оказывают влияние добавки и начальная температура. В работе [75] методом сканирующей электронной микроскопии установлено, что при горении на поверхности кристаллов ПХА существует расплавленный слой. Обнаружено, что толщина слоя уменьшается с повышением давления, и сделан вывод о том, что наличие расплава допускает протекание реакций между газовой и конденсированной фазами. Предложена теория [61], в которой расплавленный слой занимает ведущее место. Прежде чем рассказать об этой модели, приведем обзор моделей реакций в газовой и конденсированной фазах.

    В классической работе Джонсона и Нахбара [83] предложена одномерная модель горения с ламинарным адиабатическим пламенем в газовой фазе и с учетом потерь тепла из твердой фазы для объяснения явления погасания при низком давлении. В ряде публикаций отмечается важность процессов, протекающих в конденсированной фазе. К ним относятся работа [170], в которой использовался сканирующий дифференциальный калориметр, и работа [50], в которой исследовалось влияние добавки 0,5% хромата меди в качестве катализатора горения, позволившей увеличить вдвое скорость реакции. В работе [181] измерена температура конденсированной фазы и установлено, что в зоне тепловыделения существует область, в которой достигается температура фазового перехода в ПХА (240oС). Разработана также упоминавшаяся выше общая теория горения ПХА, основанная на предположении, что большинство гетерогенных реакций происходит в расплавленном слое над поверхностью [61J.

3.4.2. ГОРЕНИЕ СВЯЗУЮЩЕГО

    Горение полимеров в большей степени зависит от нехимических факторов, таких, как турбулентность газовой фазы, кондуктивная, конвективная и радиационная теплопередача, а также характеристики испарения и плавления составляющих. Эксперименты обычно начинаются с того, что образец полимера нагревают внешним источником и по достижении достаточно высокой температуры, зависящей от воспламеняемости материала, происходит воспламенение, которое, в зависимости от окружающих условий и механизма тепловой обратной связи, может закончиться полным сгоранием образца. В таком процессе горения большая часть тепловой обратной связи обеспечивается теплопроводностью, хотя возможен вклад и радиационного теплообмена.

    Горение обедненной гомогенной смеси СН4-О2 можно рассматривать как модель более сложного процесса горения полимера. Диффузионные пламена углеводородов типа метана, парафина, линейных и разветвленных полиэтилена и полипропилена исследовались на содержание простых продуктов; при этом обнаружилось замечательное сходство результатов. Полиметилметакрилат дал аналогичные результаты, за исключением того, что на ранней стадии горения в пламени обнаружены большие количества мономера. Измерения температуры показали, что при горении полиэтиленовой свечи в воздухе температура ее поверхности составляет 230-540?С, а температура пламени 490-740 ?С. Однако имеются данные о том, что при турбулентном горении достигаются температуры выше 1500 ?С.

    Суммарная кинетика горения полимера весьма сложна и включает такие разные типы реакций, как газофазные, поверхностные и подповерхностные реакции в конденсированной фазе. Химический механизм газофазных реакций при горении полимера подобен механизму реакций в диффузионных пламенах углеводородов, поэтому горение полимера можно интерпретировать как реакцию на твердой поверхности, приводящую к формированию углеводородного пламени. Реакции в конденсированной фазе включают поверхностные и подповерхностные реакции. Подповерхностные реакции представлены реакциями разложения твердой фазы, которые протекают по той причине, что разложение начинается раньше газификации. Для поверхностных реакций возможны две ситуации: когда поверхность жидкая и когда она твердая и обугленная. В работе [26] проведено исследование поверхностного пиролиза ПБКК.Г, ПБКГТ, ПБАН, полиуретана и других связующих и обнаружено, что в широком диапазоне изменения тепловых потоков и давлений на их поверхности образуется кипящий расплавленный слой и происходит обугливание материала.

3.4 3. ГОРЕНИЕ СМЕСЕВЫХ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ

    Исследования позволили выяснить механизм горения ТРТ, который в разной степени затрагивает газовую фазу, поверхность горения и конденсированную фазу. Относительно реакций в конденсированной фазе в литературе сформировались две точки зрения: согласно первой, роль этих реакций в процессе горения ТРТ пренебрежимо мала, а согласно второй - важна.

    Модели газофазного горения основаны на уравнениях сохранения энергии и массы. Уравнения сохранения для твердой фазы и газов сначала линеаризуют, а затем решают при соответствующем наборе граничных условий. При этом предполагается, что линейная скорость горения описывается законом пиролиза аррениусовского типа. Такой подход был принят в работах [83, 162]. Авторы этих работ предположили, что поверхность горения остается плоской, твердой и гомогенной, хотя из экспериментов известно, что она шероховатая и содержит расплавленный слой. Эти модели газофазного горения позволяют прогнозировать тенденции изменения скорости горения, но не объясняют влияние на процесс распределения частиц по размерам и не дают информации относительно: 1) влияния замены связующего на скорость горения, 2) величины температуры поверхности, 3) тепловыделения в конденсированной фазе, 4) температурной чувствительности скорости горения, 5) влияния катализаторов и 6) изменения показателя степени п в законе горения при изменении давления от атмосферного до 25 МПа.

    В свою очередь модели твердофазного горения позволяют предсказать тепловыделение в твердой фазе, температурную чувствительность скорости горения и действие катализаторов, но не дают указаний о зависимости скорости горения от давления.


Рис 33. Модели горения ТРТ.
a - модель послойного диффузионного пламени Нахбара и Паркса [125]; б - модель гранулярно диффузионного пламени Саммерфилда [162]; в - модель БДП [7], базирующаяся на нескольких типах пламен (1 - пламя ПХА как монотоплива; 2 - первичное пламя, 3 - конечное диффузионное пламя).

    Одной из первых моделей горения СТТ была модель Нахбара и Паркса [125], называемая моделью послойного диффузионного пламени, сущность которой иллюстрирует рис. 33а. В модели предполагается, что топливо имеет вид чередующихся слоев горючего и окислителя конечной толщины. Поверхность раздела между конденсированной и газовой фазами предполагается сухой (без расплавленного слоя). Такая теория не преуспела в предсказании зависимости скорости горения от давления.

    Саммерфилд и др. [162] предложили модель гранулярно-диффузионного пламени, согласно которой источником тепла, поступающего к поверхности горения, является множество маленьких диффузионных пламен, возникающих на границах струй газифицировавшихся окислителя и горючего (рис. 336). Суммарная скорость горения определяется процессом диффузионного смешения и протекания реакций в гомогенной газовой фазе. Поверхность горения также считается сухой. На основе этой модели выведен следующий закон горения: p / r = а + bp 2  3, где эмпирические константы а и b зависят от времени реакции в газовой фазе и от времени диффузии соответственно. Хотя рассмотренная теория дала приемлемые результаты для давлений ниже 10 МПа, в ней все же слишком много предположений. Отметим, что подобные модели были предложены и другими авторами [3, 132].

    Эксперименты [156, 170] выявили важную роль реакций в коденсированной фазе. Германс [72] предложил и детально разработал статистическую модель, позволяющую определить зависимость скорости горения от давления. В модели учитываются гетерогенность структуры поверхности СТТ и тепловыделение на поверхности или под ней. Основными допущениями, которые легли в основу теории, являются определяющая реакция на поверхности раздела ПХА - связующее и плоское одиночное пламя в подготовленной газовой смеси. Модель позволяет прогнозировать 1) связь между скоростью горения и давлением, согласующуюся с экспериментальными данными, 2) температуру поверхности, которая также согласуется с результатами экспериментов, и 3) приемлемое значение тепловыделения в конденсированной фазе.

    К сожалению, нет никаких экспериментальных сведений по изменению геометрии заряда, подтверждающих предложенную схему поверхностных реакций, а имеющиеся данные говорят скорее в пользу многопламенной структуры, чем структуры с одиночным пламенем, постулированной в работе [72]. Поэтому была предложена статистическая модель [7], базирующаяся на нескольких типах пламен* (рис. 33, в). В этой модели приняты следующие предположения: 1) прогрев связующего и окислителя осуществляется за счет теплопроводности, 2) связующее и окислитель разлагаются эндотермически, 3) между продуктами разложения в конденсированной фазе протекают экзотермические реакции и 4) газообразные продукты улетучиваются и реагируют в газовой фазе. При низком давлении рассматриваются три вида пламени: первичное пламя между продуктами разложения связующего и окислителя, пламя окислителя и конечное диффузионное пламя между продуктами двух других пламен, Эта модель предсказывает зависимость скорости горения от содержания окислителя в ТРТ и от начальной температуры топливного заряда, среднюю температуру поверхности и расстояние до фронта пламени. Модель несколько завышает влияние размера частиц по сравнению с наблюдаемым на опыте. Бекстед усовершенствовал модель, применив ее к двухосновному ТРТ [4], а в следующей работе [5] предположил, что горючее и окислитель имеют разную, а не одинаковую (среднюю) температуру поверхности. Он также перешел от осреднения по объему к осреднению во времени, ввел задержку воспламенения окислителя и рассчитал расстояние между поверхностью и фронтом пламени, пользуясь анализом Бурке-Шумана для диффузионного пламени. Затем обсуждаемая модель была модифицирована для анализа горения нитраминных топлив [6].


* Эта модель известна под названием модели Бекстеда-Дерра-Прайса (БДП).- Прим. перев.

    В работах [54, 56, 146] предложен несколько иной подход, согласно которому частицы топлива разделяются на группы с одинаковым размером, называемые псевдотопливами. Такой метод известен под названием модели "малого ансамбля". Кинг [92], используя похожий метод, ввел представление о распределенном тепловыделении в конденсированной фазе и в диффузионном пламени. Другая статистическая модель предложена Штрале [160], который рассчитал статистически возможные направления процесса горения в решетке частиц, представляющей смесевое топливо. В обзоре [23] делается вывод, что такой подход эквивалентен осредняющим методам Германса и БДП для стационарного горения, но может представить интерес и для проблемы вибрационного горения или других нестационарных процессов.

    В заключение отметим обширный обзор исследований стационарного горения СТТ [143]. Следует назвать и научные центры, которые внесли большой вклад в исследования горения ТРТ: это Принстонский университет (Саммерфилд, Глассман, Вильяме), Лафайетский университет (Клик, Осборн, Кондон) и Технологический институт шт. Джорджия (Прайс, Штрале, Зинн) в США, Национальное управление аэрокосмических исследований (Баррер, Борги, Либерер, Муте) во Франции и Научно-исследовательский центр по разработке ракетных двигателей министерства обороны Японии (Кубота).*


* В этом ряду достойное место занимает и Институт химической физики АН СССР, в котором в разные годы плодотворно работали над обсуждаемыми проблемами А. Ф. Беляев, Я. Б. Зельдович, Ю. Б. Харитон и др. - Прим. перев.

[Назад...]         [Содержание]         [Далее...]