2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ОГЛАВЛЕНИЕ..................................................................2
■ Введение....................................................................5
Глава I. Литературный обзор по топливам на основе бесхлориых окислителей 10
1.1. Горение топлив на основе АДНА.........................................10
1.2. Горение топлив на основе нитраминов и азидополимеров..................13
1.2.1. Исследование горения отвержденного топлива на основе октогена и глицидилазидполимера...................................................13
1.2.2. Исследование топлив на основе гексогена и глицидилазидполимера..15
1.2.3. Исследование топлив на основе октогена и сополимеров ДАМО.......17
1.2.4. Исследование тепловой структуры топлив на основе циклических нитраминов и ГА П......................................................19
1.2.5. Исследование термического разложения (горения) топлив на основе циклических нитраминов и азидополимеров под действием излучения СО 2-лазера.................................................................22
1.2.6. Модели горения топлив на основе циклических нитраминов и ГАП....26
1.2.7. Скорость горения октогена и топлив на основе октогена и азидополимеров.........................................................33
1.3. Краткие выводы по литературному обзору................................37
Глава 2. Методика эксперимента.............................................38
Т* 2.1. Характеристики компонентов топлив.....................................38
2.1.1. Характеристики компонентов топлива АДНА/ПКЛ.....................38
2.1.2. Характеристики компонентов топлива октоген/ГАП..................39
2.2. Методика приготовления топлив.........................................40
2.2.1. Методика приготовления топлив АДНА/ПКЛ..........................40
2.2.2. Методика приготовления топлива октоген/ГАП......................40
2.3. Методика измерения скорости горения смссевых топлив при высоких давлениях..................................................................41
2.3.1. Тензометрический метод..........................................42
щ 2.3.2. Метод обработки видеоизображения.................................43
2.4. Устройство для исследования процессов горения при высоких давлениях и различных начальных температурах образца топлива.............................43
2.5. Методика зондирования пламен конденсированных систем....................44
2.6. Обоснование методики зондирования пламени топлива октоген/ГАП при высоких давлениях............................................................46
2.6.1. Тепловые возмущения, вносимые зондом в пламя топлива октоген/ГАП при давлении 0,5 МПа.................................................48
2.7. Калибровочные эксперименты..............................................52
2.7.1. Калибровка по парам октогена......................................54
2.8. Двухсту пенчатая система пробоотбора для определения состава продуктов горения смесевого топлива при давлении 4 МПа.................................58
2.9. Методика измерения конечной температуры и температурных профилей........61
Глава 3. Результаты исследования горения топлив АДНА/ПКЛ и их обсуждение..62
3.1. Скорость горения........................................................62
3.1.1. Влияние молекулярного веса поликапролактона.......................62
3.1.2. Влияние размера частиц А ДНА......................................63
3.1.3. Влияние начальной температуры.....................................64
3.1.4. Влияние различных добавок на скорость горения.....................66
3.2. Результаты расчета удельного импульса...................................71
3.3. Структура пламени топлива АДНЛ/ПКЛ(1250) при 0,1 МПа....................72
3.5. Состав и температура конечных продуктов горения топлива
АДНА/ПКЛ( 10000) при 4 МПа...................................................76
3.6. Тепловая структура волны горения топлива АДНА/ПКЛ (10000) при давлении 4 МПа. Механизм и место действия катализатора СиО............................78
3.7. Обсуждение результатов исследования горения топлив АДНА/ПКЛ.............80
3.8. Заключение к Главе 3....................................................85
Глава 4. Результаты исследования структуры пламени топлива октоген/ГАП.......87
4.1. Состав продуктов вблизи поверхности горения топлива октоген/ГАП при 0,5 и
1 МПа........................................................................87
4.2. Структура пламени топлива октоген/ГАП при давлении 0,5 МПа..............90
4.3. Структура пламени топлива октоген/ГАП при давлении 1 МПа................93
4
4.4. Обсуждение результатов исследования химической структуры топлива
октоген/ГАП при высоких давлениях.............................................95
ф 4.5. Заключение к Главе 4.................................................97
Выводы........................................................................98
Литература....................................................................99
*
Введение
Исследование механизма горения конденсированных систем (КС) представляет значительный интерес как с фундаментальной, так и с практической точек зрения. Знание реальных физико-химических процессов, происходящих при горении, необходимо для решения фундаментальной научной проблемы состоящей в построении модели горения конденсированного вещества основанной на реальной кинетике в зонах горения. Изучение влияния различных факторов (дисперсности окислителя, добавок катализаторов и ингибиторов и др.) на горение КС позволяет создать топливные композиции, обладающие требуемыми для практического применения в ракетной технике баллистическими характеристиками (высоким удельным импульсом, слабой зависимостью скорости горения от давления и др.). Для повышения эффективности использования энергетических материалов, а также предотвращения нежелательных ситуаций связанных с горением (например, пожаров) необходимо глубокое и тщательное исследование этих процессов в лабораторных условиях. Из-за трудностей связанных с изучением процессов горения конденсированных систем их горение изучено гораздо меньше, чем, например, горение газовых систем. Однако их важное практическое значение стимулирует проведение исследований, несмотря на сопряженные с ними проблемы.
В продуктах горения современных топлив на основе перхлората аммония содержится хлористый водород, поэтому при запусках ракет большие количества хлористого водорода выбрасываются в атмосферу. Попадание этого хлористого водорода в стратосферу может способствовать разрушению озонового слоя, т.к. в стратосфере из хлористого водорода образуется атомарный хлор, который быстро реагирует с озоном: С1 + Оз -> СЮ + О2. Снижение содержания озона представляет большую опасность для биосферы в целом и для человека, в частности, т.к. его следствием является увеличение биологически акгивного ультрафиолетового излучения [1]. Этот фактор стимулирует исследование топлив, не содержащих хлора.
Одним из классов таких топлив и первым объектом исследования являются топлива на основе динитрамида аммония (АДНА). Этот окислитель является
экологически безопасным и простым по химическому составу, что делает топлива на его основе удобными объектами исследований. Другим классом топлив, не содержащих хлора, и вторым объектом исследования являются топлива на основе нитраминов и азидополимеров. Выбор этого объекта исследования связан с тем, что использование нитраминов таких как гексоген и октоген приводит к увеличению удельного импульса. Для улучшения свойств топлив на основе нитраминов в качестве связующих или пластификаторов можно использовать азидополимеры такие как, например, глицидилазидполимер (ГАП), диазидометилоксетан (ДАМО), азидометилметилоксетан (AMMO). Топлива на основе нитраминов и азидополимеров имеют высокий удельный импульс и при этом выделяют мало дыма, поэтому исследование данных топлив, вне всякого сомнения, представляет значительный интерес. Выбор объекта исследований объясняется также достаточно большой информацией о горении этого класса топлив и в то же время отсутствием надежных данных о структуре их пламен.
Современное развитие вычислительных методов и средств проведения расчетов позволяет моделировать процесс горения энергетических материалов на молекулярном уровне. Однако для создания модели горения требуется знание химии горения энергетических материалов. Основным источником информации о механизме и кинетике реакций, протекающих при горении конденсированных систем, являются результаты исследования структуры пламени. Под структурой пламени понимается пространственное распределение температуры и концентраций реагирующих веществ в волне горения, в том числе продуктов газификации, промежуточных и конечных продуктов горения. Анализ данных по структуре пламени твердых топлив позволяет получить информацию о составе продуктов реакций протекающих в конденсированной фазе (продуктов газификации), которые являются продуктами термического разложения твердого топлива на поверхности горения. Эго в свою очередь, позволяет понять, какие реакции протекают в конденсированной фазе и каков их механизм. Состав продуктов газификации КС в волне горения является входным параметром (граничным условием) при построении модели горения КС. С другой стороны, химическая структура пламен твердых топлив предоставляет также информацию о механизме и кинетике дальнейших химических превращений продуктов
газификации, ответственных за тепловыделение в газовой фазе. Для разработки моделей горения энергетических материалов необходима информация как о реакциях, протекающих в конденсированной, так и в газовой фазах. Разработка реальной модели горения твердого топлива, которая бы позволяла предсказывать скорость горения топлива, а также другие баллистические характеристики, невозможна без такой информации.
Основной целью данного исследования являлось установление основных характеристик и химического механизма горения бесхлорных топлив АДПА/поликапролактон(ПКЛ) и октоген/ГАП, получение данных, которые могли бы быть использованы для нахождения оптимальных композиций топлива АДНА/ПКЛ, обладающих максимальным удельным импульсом и малым барическим показателем в законе скорости горения, а также для создания моделей горения этих топлив. Для достижения этой цели в случае топлива АДНА/ПКЛ была поставлена задача изучить структуру пламени при атмосферном давлении, измерить состав продуктов горения при давлении 4 МПа, а также измерить скорость горения топлива в широком диапазоне давлений и установить влияние молекулярного веса ПКЛ и различных добавок на зависимость скорости горения от давления. В случае топлив на основе циклических нитраминов была поставлена задача изучить химическую структуру пламени при давлениях 0,5 и 1 МПа. Отдельной задачей являлось исследование узкой приповерхностной зоны горения с целью установления состава продуктов газификации и установления присутствия паров нитраминов в этой зоне.
Исследования структуры пламени проводились на базе автоматизированного масс-спектрометрического комплекса с молекулярно-пучковой системой пробоотбора, который был создан в Лаборатории кинетики процессов горения Института Химической Кинетики и Горения СО РАН.
Автор выносит на защиту следующие положения: 1) установление структуры пламени топлива АДНАЯПСЩ1250) при давлении 0,1 МПа; 2) установление состава топлива АДНА/ПКЛ, оптимального с точки зрения его баллистических характеристик 3) обнаружение паров окгогена в пламени топлива октоген/ГАП; 4) установление структуры пламени топлива октоген/ГАП при давлениях 0,5 и 1 МПа.
Работа состоит из четырех глав. В первой главе дан обзор литературы по топливам на основе АДНА и топливам на основе нитраминов и азидополимеров.
Во второй главе приведены характеристики компонентов топлив и процедура приготовления топлив. Также описаны экспериментальные методы, использованные при проведении данного исследования. Они включают в себя: методику определения скорости горения твердых топлив, термопарную методику и методику зондирования пламен конденсированных систем с помощью молекулярно-пучковой масс-спектрометрии.
В третьей главе приведено описание и обсуждение результатов полученных для топлив АДНА/ПКЛ. Представлены результаты экспериментов по изучению структуры пламени топлива АДНА/ПКЛ при атмосферном давлении. Приведены результаты экспериментов по измерению зависимости скорости горения от давления для топлив АДНА/ПКЛ в диапазоне давлений 4-8 МПа и установлению влияния на нее различных параметров, таких как молекулярный вес ПКЛ, размер частиц АДНА, начальная температура топлива, а также различных добавок к топливу.
В четвертой главе приведено описание и обсуждение результатов экспериментов по установлению структуры пламени топлива октоген/ГАП при высоких давлениях.
Автор выражает глубокую признательность заведующему лабораторией кинетики процессов горения ИХКиГ СО РАН профессору Коробейничеву О.П. за руководство работой, обсуждение и интерпретацию результатов; благодарит к.ф.-м.н. Палецкого A.A. за руководство работой, а также за помощь в освоении и развитии экспериментальных методов исследования на масс-снеюрометрическом комплексе, проведении экспериментов и обсуждении результатов.
Автор благодарит сотрудника лаборатории КПГ ИХКиГ к.ф.-м.н. Терещенко А.Г. за помощь в проведении экспериментов и обсуждении результатов, а также за изготовление кварцевых зондов, изготовление и разработку двухступенчатой системы пробоотбора и устройства для нагрева и охлаждения образцов топлив. Представленные в данной работе температурные профили волны горения топлив при высоких давлениях, измеренные с помощью плоских, вставленных в образец термопар, были также получены Терещенко А.Г.
- Київ+380960830922