Влияние компонентного состава алюминизированных топлив на агломерацию и полноту сгорания алюминия

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ__________________________________________________________ .._..___..________4
ГЛАВА І. ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНДЕНСИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)............................................................10
1.1. ТРЕБОВАНИЯ К МЕТОДИКАМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК КПГ.............................. 10
1.2. Метод отпора.......................................................................12
1.3. Отбор частиц на пластины. Инерционные пробоотборники. Развитие, проблемы, результаты 13
і .4. л л бора горные методики отбора частиц избранного диапазона размеров..............24
і .3. Методики с использованием вращающегося барабана с гасящей жидкостью...............29
1.4. Методики, предназначенные для отбора всей массы КПГ................................35
1.5. Заключение.........................................................................46
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИХКиГ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК КОНДЕНСИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ--------------------------------------------------------------------..-..-48
2.1. УСТАНОВКА И ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ...............................................48
2.2. Препарирование, гранулометрический и химический анализ частиц КПГ. Определение плотное ги ЧАСТИЦ..........................................................................51
2.3. Обработка и представление результатов гранулометрического и химическоі о анализов. Используемые интегральные параметры........................................................52
2.4. Расчет времени пребывания частиц в продуктах горения топливного образца............55
2.5. Погрешности........................................................................57
2.5.1. Функция распределения и средние размеры частиц................................57
2.5.2. Определение содержания несгоревшего алюминия..................................59
2.5.3. Интегральные массовые параметры (ш^р, тг. тч. тА'ССр, тА'г. тА1ч.). Тест воспроизводимости.. 59
2.5.4. Плотность частиц КПГ..........................................................62
2.5.5. Скорость горения топлива.....................................................<55
2.5.6. Время пребывания .............................................................63
2.5.7. Представительность отборов....................................................64
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ О ВЛИЯНИИ РЕЦЕПТУРНЫХ ФАКТОРОВ НА АГЛОМЕРАЦИЮ И ПОЛНОТУ СГОРАНИЯ АЛЮМИНИЯ В СОСТАВЕ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА 68
3.1. Общие представления о влиянии рецептурных факторов и задачи данного исследования 68
3.2. Изготовление модельных топлив и образцов...........................................70
3.3. Влияние связующего.................................................................72
3.3.1. Топлива: рецептуры, компоненты, образцы.................................... 72
3.3.2. Результаты....................................................................73
3.4. Влияние природы нитраминов на агломерацию и і к міногу сгорания алюминия...........83
3.4.1. Постановки задачи. Топлива, компоненты, образцы...............................83
3.4.2. Проведение экспериментов......................................................86
3.4.3. Общая характеристика КПГ и размеры аломератов.................................87
3
3 4.4. Выгорание металла и эволюция агломератов. Объяснение нибяюдаемых шконимерпостей УН
3.4.5. Накопление оксида ни поверхности агломерата...........................................ЮН
3.4.6. Заключение по разделу.............................................................I11
3.5. Влияние модификации свойств металлическою горючего. Иснользованиеалюминияс
ПОЛИМЕРНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ.......................................................................... I 13
3.5.1. Задача исследования. Рецептура и компоненты топлив................................ I13
3.5.2. Проведение экспериментов............................................................. ПН
3.5.3. Результаты экспериментов при р - 4.6 МПа.............................................120
3 5.4 Результаты экспериментов при р - 0.15 МПа.............................................130
3.5.5. Обсуждение результатов.............................................................../36
3.5.6 Заключение по разделу................................................................ /ЗН
3.6. ВЛИЯНИЕ МОДИФИКАЦИИ СВОЙСТВ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ГОРЮЧЕЮ. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УЛЬТРА ДИСПЕРСНОГО АЛЮМИНИЯ......................................................................................... 140
3.6.1. Задача исследования. Рецептуры и компоненты модельных топлив........................./40
3.6.2. Образцы томив, проведение и результаты экспериментов................................ /45
3.6.3. Заключение по разделу............................................................... /63
ГЛАВА 4. ОБОБЩЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ: СЦЕНАРИИ АГЛОМЕРАЦИИ 164
Заключение по главе 4..........................................................................177
ЗЛКЛ ЮЧ ЕН И Е ••••.•..МММ...М...М~М.. ............................................и........— I 78
ИТОГИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАШ1Ы................................................................... 178
Основные научные результаты и выводы...........................................................179
Задачи на будущее..............................................................................181
Сведения о внедрениях и публикациях...........................................................»8?.
ЛИТЕРАТУРА------------------------------------------------------------------------------------- 184
ПРИЛОЖЕНИЯ
_____________198
4
ВВЕДЕНИЕ
Развитие ракетной техники во многом обеспечивается совершенствованием топливных рецептур. Предназначение ракетного топлива состоит в выделении требуемого количества энергии с заданной скоростью при вполне определенных условиях [1]. Топливо также служит источником рабочего тела, отбрасывая которое (например, в виде струи горячих газов, истекающих через сопло), двигатель создает реактивную тягу. Одно из основных направлений совершенствования ракетных топлив - повышение удельного импульса (т. е. импульса двигателя, отнесенного к весу отброшенного рабочего тела 12, с. 24]). Было предложено множество эффективных горючих и окислителей, однако особое место занимают твердые металлсодержащие (так называемые «металлизированные») топлива [3], поскольку к топливам предъявляют множество противоречивых технических требований, что вынуждает разработчиков принимать компромиссные решения. Например, для стратегических ракет высокая боеготовность, простота обслуживания на стартовой позиции, компактность, безопасность при транспортировке и хранении зачастую более важны, чем удельный импульс, что приводит к выбору именно твердого металлизированного топлива [ 1 ].
Идея использования металла в качестве горючего компонента ракетного топлива впервые предложена советскими учеными Ю. В. Кондратюком [4] (1929 г.) и Ф. А. Цандером [5] (1932 г.). Предпосылкой к этому служит весьма высокая (более 2 ккал/г) теплота сгорания таких элементов как бериллий, литий, магний, алюминий, бор [3, 6, 7]. Из перечисленных элементов в традиционных смесевых ракетных топливах наиболее широкое распространение получил алюминий вследствие ряда причин [3]. Применение бериллия ограничено из-за токсичности продуктов горения. Литий в чистом виде обладает чрезмерно высокой химической активностью. Магний уступает алюминию по теплотворной способности. Для окисления бора требуется
5
большое количество кислорода и его применение оправдано при использовании внешнего (забортного) окислителя.
Типичные современные смесевые гетерогенные топлива состоят из окислителя - перхлората аммония (ПХА) в количестве 45-70 % (масс.), полимерного горючего-связующего (10-20 %) и алюминия (15-24 %). Наличие алюминия повышает температуру пламени и скорость истечения продуктов горения, создающих реактивную силу, улучшает стабильность работы двигателя посредством демпфирования колебаний газа в камере сгорания, дает некоторые возможности для регулирования скорости горения топлива и ее зависимости от давления путем вариации рецептуры топлива на этапе его проектирования. В то же время, применение алюминия порождает ряд проблем, обусловленных особенностями его поведения в волне горения, в камере сгорания, сопле и в выхлопной струе двигателя.
Прежде всего, для горения алюминизированного топлива характерно явление агломерации [7]. Применительно к ракетным топливам агломерацией называют объединение (в предельном случае - слияние) заложенных в топливо частиц алюминия в волне горения. В результате с поверхности горения в газовую фазу выходят агломераты, образованные из сотен, а иногда и тысяч исходных частиц алюминия. Помимо размера, агломераты отличаются от начальных частиц алюминия по структуре, важным параметром которой является массовое соотношение металлического (непрореагировавшего) алюминия и его оксида. Вследствие различий в размере и структуре закономерности горения агломератов (в частности, время горения) отличны от соответствующих закономерностей для алюминиевых частиц.
Другая важная особенность горения алюминизированного топлива -образование конденсированных продуктов. Поток продуктов горения топлива существенно двухфазный - газообразные продукты горения транспортируют агломераты и частицы оксида алюминия, образованного при горении алюминия. Превращение алюминия в оксид - один из основных процессов,
обуславливающих эволюцию дисперсной фазы. В общем случае, кроме горения следует рассматривать движение и взаимодействие частиц. Параметры агломератов, покидающих поверхность горения, имеют первостепенное значение, поскольку задают начальные условия для эволюции дисперсной фазы. Двухфазность продуктов горения ал юм и цитированного топлива обусловливает наличие ряда особенностей функционирования двигателя [8, 9]:
• потери удельного импульса,
• эрозионное воздействие на элементы конструкции,
• неполнота сгорания металла,
• чувствительность параметров работы двигателя к массовым силам,
• образование шлаков в камере двигателя,
• демпфирование колебаний газа в камере двигателя,
• формирование выхлопной струи двигателя.
Последнее не связано непосредственно с характеристиками работы двигателя, но также немаловажно. Для военных ракет параметры выхлопной струи обычно рассматривают с точки зрения возможности обнаружения старта ракеты с большого расстояния. В случае гражданского применения твердотопливных ракет, а также в случае уничтожения ракет посредством сжигания, параметры выхлопной струи рассматривают с точки зрения воздействия продуктов горения на окружающую среду.
Таким образом, изучение процесса горения металлизированного топлива и механизмов образования и эволюции дисперсной фазы имеет важное практическое значение как для совершенствования ракетных двигателей в плане улучшения их технических характеристик, так и для объективной оценки экологических последствий запусков ракет.
Цели диссертационной работы заключались в следующем: I) Разработка методики отборов для исследования параметров дисперсной фазы, образующейся при горении металлизированного топлива. При этом ставились задачи достижения максимально возможной представительности отборов для
7
частиц с размерами от I до 1000 мкм и определения гранулометрического и химического состава частиц дисперсной фазы в зависимости от расстояния от поверхности горения; 2) Экспериментальное определение агломерационных свойств и эффективности горения алюминия для ряда топлив, в том числе представляющих практический интерес. При этом ставились задачи (а) детального исследования указанных параметров дисперсной фазы в зависимости от давления и состава топлив, характеризуемого массовыми долями и гранулометрическими характеристиками компонентов, и (б) накопления и обобщения экспериментальных данных для построения физически обоснованных механизмов явления агломерации.
Все экспериментальные исследования проведены лично соискателем с использованием методики отборов частиц дисперсной фазы, разработанной в лаборатории горения конденсированных систем Института химической кинетики и горения СО РАН при непосредственном участии соискателя.
Соискатель выносит на защиту: I) Методику исследования
характеристик дисперсной фазы, включающую установку, процедуры гранулометрического и химического анализа частиц, программное обеспечение для обработки результатов; 2) Экспериментальные результаты исследования параметров агломерации, в том числе полноты сгорания алюминия, в зависимости от следующих вариаций состава топлива - типа связующего, наличия нитраминов (октогена и гексогена), гранулометрического состава и модификации физико-химических свойств алюминия (посредством использования ультрадисперсного алюминия и алюминия с полимерными покрытиями). Большинство экспериментов проведено при давлениях 4-7 МПа в среде азота.
Структура диссертации. Работа состоит из четырех глав и Заключения.
В первой главе дан обзор методик исследования характеристик дисперсной фазы горящего топлива. Основное внимание уделено методикам
8
отборов конденсированных продуктов горения (КПГ) и анализу ограничений этих методик. Сформулированы требования к "идеальной" методике.
Во второй главе описана авторская методика отборов, показано ее соответствие предъявляемым требованиям, дающее преимущества по отношению к другим методикам. Введен набор параметров, характеризующих параметры КПГ, в том числе агломераты.
В третьей главе представлены экспериментальные результаты по исследованию влияния рецептурных факторов (т. е. компонентного и гранулометрического состава) на агломерационные характеристики ряда топлив. По мере возможности проведено сравнение с литературными данными.
В четвертой главе проведено обобщение собственных экспериментальных данных по агломерации алюминия при горении топлив различного состава. Показано, что, несмотря на разнообразие рецептур, имеются два основных качественно различных режима протекания процесса агломерации, описываемых сценариями сильной и слабой агломерации. Отличия сценариев проявляются в численных значениях параметров, характеризующих КПГ. Изменение условий горения (например, давления) или модификация свойств отдельных компонентов топлива могут изменить сценарий протекания процесса агломерации.
В Заключении сформулированы выводы по работе в целом, подведены итоги и намечены пути дальнейших исследований в данном направлении. Кроме того, представлены сведения об апробации и внедрении результатов работы.
Благодарности
Соискатель выражает признательность научному руководителю, заведующему лабораторией горения конденсированных систем (ГКС), профессору В. В. Зарко; благодарит сотрудников лаборатории ГКС В. В. Карасева, А. Б. Кискина, Л. К Гусаченко, С. Э. Пащенко за постоянный интерес
9
к работе, обсуждение результатов и помощь в обработке данных, а также В. Н. Симоненко за изготовление некоторых из исследованных модельных топлив. Особую благодарность соискатель выражает сотрудницам кафедры аналитической химии факультета естественных наук Новосибирского госуниверситста Т. Д. Федотовой и А. Г'. Кирьяновой за вклад в развитие методик химического анализа КПГ и собственно проведение анализов, сотруднице лаб. ГКС О. Н. Житницкой и сотруднику Международного томографического центра В. Л. Бизяеву за проведение гранулометрических анализов. Соискатель с благодарностью отмечает важную роль бывшего сотрудника лаб. ГКС В. Я. Зырянова, заложившего основы методики отборов.
Соискатель выражает благодарность студентам ТГУ, НГТУ и сотрудникам других Институтов СО РАН В. И. Исаеву, А. Сапрыкину, В. Сапрыгину, Н. Лукзену и Н. Г. Наумову, в разное время принимавших участие в проведения [ранулометрических и химических анализов КПГ, а также А. В. Ворожцову, В. Суркову, Г. В. Иванову, А. Е. Сапько, В. С. Седому, Ю. А. Бирюкову за предоставление ультрадисперсных порошков алюминия.
В работе использованы результаты исследований, выполненных при частичной финансовой поддержке следующих российских фондов и организаций - РФФИ, Федеральных< научно-производственный центр "Алтай". Программа сотрудничества Министерства образования Российской Федерации и Министерства обороны Российской Федерации «Научноинновационное сотрудничество», а также зарубежных - МНТЦ, Brigham Young University, EOARD и INTAS. Соискатель выражает глубокую благодарность перечисленным организациям, фондам и программам.
%
ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНДЕНСИРОВАННЫХ ПРОДУКТОВ ГОРЕНИЯ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
1.1. Требования к методикам определения характеристик КПГ
Во Введении обоснована необходимость изучения параметров дисперсной фазы горящего топлива. Параметры дисперсной фазы вблизи поверхности горения характеризуют процесс горения топлива (в частности, его агломерационные свойства). Изменение этих параметров на расстоянии до 10-20 см от поверхности горения характеризует эволюцию частиц, подобную той, которая имеет место в камере сгорания ракетного двигателя. Здесь ограничимся рассмотрением дисперсной фазы именно в этих пределах. Последующая эволюция частиц в конфузорной части сопла, в его критическом сечении, в диффузорной части и в выхлопной струе выходит за рамки работы и не рассматривается.
В данной главе будет дан обзор методик исследования дисперсной фазы горящею топлива. Базируясь на потребностях практики, сформулируем основные требования, предъявляемые к таким методикам, и будем пытаться оценивать известные методы с точки зрения соответствия этим требованиям.
Во-первых, желательно получить информацию о гранулометрическом составе частиц во всем диапазоне размеров.
Известно, однако, что при горении топлив образуются частицы с размерами, отличающимися на несколько порядков - от Ю'10 м до 10'2 м [7, с. 60], что делает это требование практически неосуществимым. При этом наибольший практический интерес представляют агломераты, типичный размер которых от десятков микрон до миллиметров, и оксидные частицы в диапазоне размеров от долей микрона до единиц-десятков микрон. Следует отметить, что в последнее время в связи с сокращением вооружений и ликвидацией ракет [10-12] наблюдается повышение интереса к оксидным частицам нанометрового диапазона [13]. Это обусловлено тем, что совокупность таких частиц обладает большой удельной поверхностью и может
11
накапливать и переносить весьма вредные соединения, такие как полихлорированные дибензо-«-диоксины, дибензофураны, бифенилы и др., образующиеся при горении твердого ракетного топлива и теплозащитного покрытия камеры сгорания [14]. В атмосфере частицы указанного диапазона размеров существуют в виде специфической аэрозольной системы, транспортные свойства которой определяются гранулометрическим составом и морфологией частиц, а также эволюцией этих характеристик во времени [11, 13]. На практике, методика должна обеспечить количественное определение гранулометрического состава частиц в заданном диапазоне размеров. Получаемые данные должны быть представительными, т. е. найденное распределение частиц в исследуемом диапазоне размеров должно соответствовать реальному, более широкому распределению по размерам, т. е. представлять собой его неискаженный фрагмент.
Во-вторых, необходима информация о химическом составе частиц. Для типичных топлив основной продукт превращения алюминия - оксид. Образование нитрида и оксинитрида алюминия в нормальном режиме горения практически не происходит. Поэтому фактически требуется определить массовое соотношение металлического алюминия и оксида алюминия в частицах КПГ в зависимости от их размера [15]. Этой информации в совокупности с данными о массовом распределении частиц по размерам достаточно для расчета суммарной массы несгоревшего алюминия и степени превращения алюминия в оксид.
Последнее по порядку, но не по значимости требование к методике -возможность исследования эволюции дисперсной фазы. Для этого необходимо получить данные о гранулометрическом и химическом составе частиц в нескольких локальных областях пространства. В условиях стационарного горения время эволюции и пространственное положение частиц относительно поверхности горения взаимосвязаны. В методиках отборов с пространственно-локализованным гашением частиц промежуток времени от момента выхода
частиц в газовую фазу до момента гашения можно считать временем эволюции частиц.
Таким образом, «идеальная» методика должна давать информацию о гранулометрическом и химическом составе частиц при удалении от поверхности горения в практически важных диапазонах размеров.
Описываемые ниже известные из литературы методики будем рассматривать с точки зрения соответствия поставленным требованиям, приводя типичную форму представления получаемых результатов.
Тема обзора по сути - анализ методов диагностики двухфазных потоков. Однако, мы сузим ее, рассматривая лишь методы, пригодные для исследования дисперсной фазы в окрестности горящего топлива, и среди них - только методы отборов конденсированных продуктов горения, не затрагивая оптических методов. Несмотря на известные достоинства - не возмущающий характер измерений, разрешение во времени, наглядность информации (для методов с построением изображения) и др., оптические методы не могут дать требуемой информации. Вследствие этого, большинство значимых результатов в прошлом было получено именно методами отборов, и в настоящее время эти методы сохраняют свое значение.
1.2. Метод отбора
Суть метода состоит в гашении, отборе и последующем всестороннем анализе частиц с целью определения их гранулометрического, химического, морфологического состава и других характеристик. Недостатки метода отбора связаны с общими проблемами контактных методов диагностики. Некоторые из проблем решены, другие (например, № 2 в приведенном ниже списке) принципиально неразрешимы, что ограничивает применение метода отбора. Большинство методических проблем неоднократно обсуждалось в
соответствующей литературе [16, 17], поэтому здесь ограничимся их перечислением:
1. Представительность отбора.
2. Неадиабатичность горения малоразмернот образца в лабораторных установках.
3. Неопределенность времени эволюции частиц. (Частицы разных размеров движутся по-разному. Гашение частиц не происходит мгновенно).
4. Трансформация пробы в процессе замораживания и за время между отбором и анализом.
Проблемы и трудности метода отборов будут иллюстрированы ниже конкретными примерами.
1.3. Отбор частиц на пластины. Инерционные пробоотборники. Развитие, проблемы, результаты
Простейший способ отбора КПГ заключается в улавливании образующихся частиц в широкий невысокий сосуд, например, в керамическую чашку. Такой способ применяли в ранних работах по исследованию горения металлических частиц в факеле твердого топлива и в пламени газовой горелки. Соответственно, сосуд располагали либо на дне бомбы, в которой производили сжигание топливного образца, либо под горелкой, факел которой в таких экспериментах обычно направлен вниз [18, стр. 36]. В [18] указано, что наименьший размер отбираемых частиц составляет около 15 мкм (размер сжигаемых частиц алюминия 30-150 мкм).
Очевидными недостатками метода является неопределенность времени горения частиц (до погасания), пространственная неоднородность условий горения и их непостоянство во времени, а в случае топлива добавляется еще и неполнота сбора частиц.
Дальнейшее развитие подобных методов - принудительное гашение частиц посредством соударения с "отборной” пластиной. Как в случае горения твердого топлива, так и в случае газовой горелки, проводя отбор продуктов
14
горения в различных зонах пламени, можно получить представление об эволюции горящих частиц [19].
В литературе имеется ряд работ, в которых описаны различные варианты практической реализации метода [22-23], отличающиеся, в частности, материалом пластин. Используются предметные стекла для микроскопа, иирекс [20], пластины с различными покрытиями: вязкой жидкостью
(полипропиленгликолем) [21], алюминием и монооксидом кремния [18, с. 38] и другие. Применение метода отбора частиц на пластины сталкивается с известными трудностями и проблемами, а именно:
• Зависимость эффективности удержания частиц на пластине от их размера.
• Повреждение крупных частиц (более 150 мкм) при ударе об отборную пластину.
• Искажения гидродинамической картины течения, вызванные наличием пластины.
• Получение оптимального количества осадка.
Последнее обусловлено как требованиями к пробе для микроскопического анализа (желательно, чтобы отобранные частицы не перекрывались), так и возможным ухудшением эффективности осаждения при наличии осадка, или даже срывом (сдуванием) частиц с пластины при их чрезмерном количестве.
Для решения этой проблемы предложены различные способы, суть которых состоит в ограничении времени "экспонирования" пластины в пламени горелки или в потоке двухфазных продуктов горения топлива. Примеры таких технические решений: система с проносом пластины через пламя [18, стр. 38]; система с автоматическим вводом пластины в пламя образца топлива в требуемый момент времени по команде, формируемой при перегорании проволочки, помещенной в образец [22], рис. 1.1; система, подобная шторному затвору фотоаппарата, когда отборная пластина неподвижна, а вдоль нее приносится пластина со щелью [20], рис.1.2.
15
Схеми устанопкн для отбор» к-фазм го кисоте факела иламенн
І — пластммка; 2— медммА проводок; З — ссрдгчннк; 4 — електротяг нит; 3 — оОрвзеи; 6 — воспламенитель; 7 — бомба постоянного даьле
яия.
Рис. 1.1. Реализация метода отбора частиц на пластину [22]. Срабатывание электромагнита 4 и ввод пластины 1 в пламя на заданной высоте от поверхности горения происходит при перегорании проволочки 2 в результате ее попадания в высокотемпературную зону волны горения топливнот образца
5.
Поверхность горения , ІЬіяс1жвлл
Прорезь 5 1-М пярякея
1.2 X БІ мм ' 1 Подвижная
\ ■ ! гптшяята
Мь
-=ОЯЛШкшЛшшшт
Направление Ґ1^ Образец топлива
двнженвя Ш
Схема системы отбора продуктов сгораввя.
Рис. 1.2. Система отбора частиц на пластину [20], подобная шторному щелевому затвору фотоаппарата: параллельно неподвижной отборной пластине проносится пластина со щелью.
Для иллюстрации приведем некоторые технические данные системы отбора из работы [20]:
• Образец топлива 12.7*12.7* 9.5 мм, небронированный.
• Расстояние от поверхности горения до отборной пластины от 5.4 мм до 12.5 мм.
• Максимальное давление в бомбе до 3.5 МПа.
• Типичное время экспозиции пластины 0.05 с.
В статье [20] приведены функции распределения частиц КГ1Г по размерам в диапазоне от 1 до 100 мкм. Результаты этой работы впоследствии были подвергнуты критике [24]. Оппоненты утверждали:
Маловероятно, что при наличии конвекции на пластинке будут скапливаться типичные продукты горения алюминия. Эффективность осаждения зависит от размера частиц, кроме того, чрезвычайно трудно сохранить мелкие частицы пробы на поверхности пластины при понижении давления в процессе опорожнения бомбы. Улавливание преимущественно крупных частиц отразится на результатах.
К этому следует добавить, что имеет место искажение картины течения газообразных продуктов горения препятствием-пластиной. Считается, что при набегании потока на пластину возможно образование скачка уплотнения, и, как следствие, интенсификация столкновений и слияния частиц из-за скоростной неоднородности двухфазного потока. Заметим, что в системе типа шторного затвора искажения потока стационарны, тогда как в системе с проносом отборной пластины через факел имеет место нестационарное воздействие на поток.
Несмотря на перечисленные недостатки, с помощью отборов на пластины был получен ряд пионерских результатов и заложены основы представлений о горении частиц алюминия. Наиболее важные качественные результаты:
• Имеются стадии воспламенения и горения частиц. Длительность задержки воспламенения и время горения зависят от состава, давления, и температуры газовой среды, а также от размера частиц. По данным [19], время горения пропорционально диаметру частицы в степени 1.8.
• Механизм горения частицы зависит от состава газовой среды. Например, наличие водяного пара в окисляющей среде вызывает образование полых оксидных «скорлупок», которые обычно отсутствуют при воспламенении и горении частицы алюминия в «сухой» среде (опыты с горелкой [18, с 54] при
атмосферном давлении). Предполагается, что при окислении алюминия водяным паром под пленкой оксида накапливается водород, что вызывает образование пузырей.
• Горящая частица окружена характерным ореолом (или следом в случае движения частицы относительно газа), состоящим из сферических оксидных частиц субмикронного размера. По данным [18, с. 37], минимальный размер оксидных частиц до 5 нм, причем эта величина была пределом разрешения использованного авторами электронного микроскопа. Частицы оксида в дальней зоне следа - более раннего происхождения и имеют больший размер, чем частицы оксида вблизи горящей алюминиевой частицы. Это свидетельствует об укрупнении частиц оксида в следе при удалении от горящей частицы (или во времени).
• Типичный остаток погашенной на ранней стадии горения частицы представляет собой металлический шарик с присоединенным к нему линзообразным колпачком оксида.
Метод гашения при ударе об отборную пластину был применен в [25] для исследования продуктов горения индивидуальной частицы алюминия в воздухе при атмосферном давлении. Сферическую частицу с размером 250, 500 или 900 мкм подвешивали на кварцевой игле с помощью капельки спирта и воспламеняли сфокусированным излучением мощного лазера. В момент воспламенения частица отделялась от иглы и свободно падала до встречи с пластиной, на которой также оседали и ’'замораживались" конденсированные продукты горения. Отобранный осадок исследовали под оптическим микроскопом и получали распределение числа частиц по размерам. К сожалению, применяемая техника гранулометрического анализа не позволяла измерять частицы мельче 1 мкм. Для всех размеров горящих частиц (250, 500, 900 мкм) полученные счетные функции распределения имели монотонно спадающий вид вправо от максимума, причем максимум находился в первом
размерном интервале гистограммы (1-2 мкм). Длина правого хвоста распределения увеличивалась с размером горящей "родительской" частицы алюминия: предельный размер частиц-продуктов был 60 мкм при горении частицы 250 мкм, 90 мкм для 500 мкм алюминиевой частицы и 140 мкм для 900 мкм частицы. Авторы [25] не дают объяснения этому факту, однако нельзя исключить возможность образования крупных частиц оксида вследствие фрагментации родительской частицы при ударе о пластину-подложку.
Другие важные результаты работы [25] следующие. Установлено, что большинство частиц-продуктов - полые сферы. Для алюминиевых частиц с диаметром 900 мкм измерено радиальное распределение осажденных на пластине продуктов. Кольцевая зона с максимальной концентрацией оксидных частиц расположена на расстоянии ~~3с1 от центра горящей частицы, т. е. для частицы с с!=900 мкм радиус кольца около 3 мм. По мнению авторов [25], кольцеобразная форма осадка свидетельствует в пользу трехзонной модели [26] горения капли алюминия.
Метод отбора на пластины также использовался для диагностики ракетных двигателей [21, 27]. Так, в [27] применяли механическое устройство с пиротехническим приводом, выдвигающее на короткое время кварцевую пластину размером 6x6 мм в двухфазный поток продуктов горения. Устройство можно устанавливать либо в сопле, либо в камере двигателя, но в обоих случаях улавливание частиц производится вблизи стенки, т. е. из периферийной части потока.
Имеется также ряд методик с использованием так называемых "ловушек" различной конструкции, зачастую одноразового использования, помещаемых в выхлопную струю двигателя. Методы отборов из струи двигателя выходит за рамки данного обзора, информация о них имеется в обзоре [28]. Здесь ограничимся лишь упоминанием этих методов для создания целостной диалектической картины развития методов отборов как постоянного поиска путей преодоления недостатков.