СОДЕРЖАНИЕ
Основные обозначения и сокращения....................... 5
Введение................................................ 7
1. Термическое разложение, воспламенение и горение 13 энергетических материалов, содержащих алюминий и нитрат аммония.........................................................
1.1. Воспламенение и горение гелеобразных композиций................ 14
1.2. Воспламенение и горение ВЭМ, содержащих нитрат аммония .... 20
1.3. Влияние металлического алюминия на воспламенение и горение 27
вэм.........................................................
1.4. Влияние октогена на характеристики ВЭМ......................... 32
1.5. Особенности горения ВЭМ на основе активных горючих- 33 связующих.......................................................
2. Экспериментальное исследование основных характеристик 37
гелеобразных композиций.....................................
2.1. Составы гелеобразных композиций................................ 37
2.2. Свойства марок алюминия, исследованных в работе................ 39
2.3. Экспериментальное исследование процессов воспламенения и 42
горения гелеобразных композиций.............................
2.3.1. Методика определения характеристик воспламенения 42 гелеобразных композиций...........................................
2.3.2. Результаты исследования характеристик воспламенения 43 гелеобразных композиций...........................................
2.3.3. Анализ продуктов сгорания гелеобразных композиций....... 44
2.3.4. Анализ результатов исследования характеристик воспламенения 47
гелеобразных композиций.....................................
2.4. Характеристики композиций «алюминий - водный раствор 49 нитрата аммония», содержащих смешанный алюминий.................
2.5. Воспламенение сухой смеси «алюминий - нитрат аммония» 53
2
2.6. Воспламенение исходных порошков алюминия..................... 54
2.7. Влияние добавок на воспламенение ВЭМ «алюминий - водный 55
раствор нитрата аммония»...................................
2.8. Дифференциальный термический анализ смесей компонентов 60
гелеобразных композиций
2.9. Влияние тиомочевины и бихромага калия на воспламенении 61
гелеобразных ВЭМ...........................................
3. Экспериментальное исследование процесса воспламенения 68
смесевых композиций..........................................
3.1. Характеристики смесевых композиций............................. 68
3.1.1. Методика изготовления смесевых композиций...................... 68
3.1.2. Составы смесевых композиций.................................... 69
3.2. Воспламенение смесевых композиций с помощью кондуктивного 70
нагрева.......................................................
3.2.1. Методика исследования воспламенения смесевых композиций.... 70
3.2.2. Результаты исследования воспламенения смесевых композиций 72
на основе нитрата аммония.....................................
3.2.3. Результаты исследования воспламенения смесевых композиций 78
на основе смешанного окислителя...............................
3.3. Свойства горючих-связующих................................... 87
4. Экспериментальное исследование процесса горения 90
смесевых композиций........................................
4.1. Составы смесевых композиций.................................. 90
4.2. Методика исследования горения смесевых композиций............ 90
4.2.1. Горение смесевых композиций при атмосферном давлении 90
4.2.2. Горение смесевых композиций в приборе постоянного давления.. 91
4.3. Результаты исследования горения смесевых композиций.......... 93
4.3.1. Горение смесевых композиций на основе нитрата аммония при 93
атмосферном давлении.......................................
3
4.3.2. Горение смесевых композиций на основе смешанного 95 окислителя при атмосферном давлении..............................
4.3.3. Горение смесевых композиций на основе нитрата аммония при 99 повышенных давлениях.............................................
4.3.4. Горение смесевых композиций на основе бутилкаучука и 102 смешанного окислителя перхлорат - нитрат аммония.................
4.4. Механизм горения смесевых композиций........................... 103
5. Термодинамический анализ топливных композиций................ 108
5.1. Исследование термодинамических характеристик гелеобразных 108 и твердотопливных композиций на основе нитрата аммония..........
5.1.1. Характеристики гелеобразных композиций....................... 108
5.1.2. Характеристики твердотопливных композиций на СКДМ-80 110
5.1.3. Характеристики твердотопливных композиций на активных 112 горючих связующих................................................
5.1.4. Характеристики твердотопливных композиций, содержащих 114 бутилкаучук и смешанный окислитель НА/.ПХА.......................
5.2. Результаты дифференциального термического анализа.............. 115
5.3. Продукты горения твердотопливных ВЭМ на основе 116 бутилкаучука и смешанного окислителя перхлорат - нитрат
аммония....................................................
Заключение................................................... 124
Список литературы............................................ 127
4
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
Е - энергия активации;
Q - интенсивность излучения;
1уд - удельный импульс;
К - коэффициент эффективности;
R - газовая постоянная;
Т - температура:
Д Н - энтальпия;
с,п - массовая концентрация частиц;
D - диаметр частиц;
/ - длина;
р - плотность вещества; р - давление;
т - время задержки воспламенения; х? - время горения; и - скорость горения;
z - массовая доля конденсированной фазы в продуктах сгорания ВЭМ;
а - коэффициент избытка окислителя;
v - показатель в степенном законе скорости горения;
Alex - нанодисперсный алюминий, полученный методом ЭВП;
NaCl -хлориднатрия;
SnCl2 - хлорид олова (II);
С - сажа;
С12 - хлор;
НС1 - хлороводород;
НСЮ4 - хлорная кислота;
НМХ -октоген;
CL-20 - каркасный нитрамин гексанитрогексаазаизовюрцитан;
5
АСД - алюминий сферический дисперсный;
БК - бутилкаучук;
ВЭМ ~ высокоэнергетические материалы;
ДТА - дифференциальный термический анализ;
МПВТ-АСП - метилполивинил-тетразол, пластифицированный
нитроэфирно-нитраминным пластификатором;
НА - нитрат аммония;
НГУ - полиуретановая связка, пластифицированная нитроглицерином; Г1ХА - перхлорат аммония;
РДТТ - ракетные двигатели на твердом топливе;
СКДМ-80 - бутадиеновый каучук СКДМ-80, пластифицированный трансформаторным маслом;
СТТ - смесевые твердые топлива;
ЭВП -электрический взрыв проводников.
6
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Применение ракетных двигателей на твердом и гелеобразном топливах в космических программах предъявляет к ним иные требования, чем для ракет военного назначения. Если для военных ракет главными были требования достижения максимальных энергомассовых характеристик, то для космических двигательных установок актуальны требования снижения стоимости запусков (включая топливо, конструкцию ракеты и стартовое оборудование) и требования экологической чистоты продуктов сгорания. Эти требования резко возрастают с увеличением количества запусков, в частности, коммерческих спутников связи.
Современные составы высокоэнергетических материалов (ВЭМ), использующихся в качестве ракетных топлив, базируются, в основном, на трех компонентах: окислитель - перхлорат аммония (ПХА), полимерное горючее-связующее и порошкообразный алюминий. Подобное топливо используется, в частности, в бустерах “Спейс Шаттл” и в ракете “Ариан-5”. Перхлорат аммония является достаточно дорогим веществом, и в то же время основным источником экологически неблагоприятных продуктов горения. При сгорании составов на основе ПХА образуется ряд соединений хлора (СЬ, НС1, НС104 и т.д.), которые оказывают вредное воздействие на окружающую среду, вплоть до выпадения кислотных дождей и образования озоновых дыр. Снижение количества или полное отсутствие в продуктах сгорания ВЭМ соединений хлора позволит существенно улучшить экологическую безопасность при эксплуатации ракетной техники и газогенераторов различного назначения.
Одним из перспективных направлений в решении проблемы создания экономичных и экологически чистых (ecology friendly) ВЭМ является использование в качестве окислителя нитрата аммония (НА), частично или полностью замещающего ПХА. Нитрат аммония на порядок дешевле ПХА и не образует при горении экологически вредных продуктов. В настоящее
время поисковые исследования по использованию двойных окислителей (ПХА+НА) интенсивно ведутся в России, Голландии, Италии и других странах. Ряд экспериментальных результатов по горению ВЭМ на основе нитрата аммония опубликован в последние годы в работах В.А. Бабука,
A.Б. Ворожцова, JI. Галфетти, A.A. Глебова, И.Н. Долотказина, В.Е. Зарко, Г.Ф. Клякина, Б.Н. Кондрикова, Б.И. Ларионова, Д.Ф. Лемперта, Л. Де Лука, Г.Б. Манелиса, Ю.М. Милехина, Г.Я. Павловца, Н.И. Попка, Ф. Северини,
B.П. Синдицкого, В.Н. Симоненко и др.
Предварительные результаты исследований выявили ряд серьезных проблем, связанных с созданием ВЭМ на основе НА, в частности, низкий уровень скорости горения, трудности с устойчивым воспламенением, повышенный уровень агломерации металлического горючего, низкие энергетические характеристики и т.д. Ряд этих проблем может быть решен путем использования в качестве металлического горючего нанопорошков алюминия и введением в состав ВЭМ нитраминов. Данные композиции ранее практически не исследовались.
В связи с этим, комплексные экспериментальные исследования процессов термического разложения, воспламенения, закона скорости горения в зависимости от давления для ВЭМ нового класса является актуальной задачей. Решение этой задачи в полном объеме обеспечит предпосылки для создания дешевого экологически безопасного топлива на основе НА.
Целыо диссертационной работы является комплексное экспериментальное исследование процессов термического разложения, воспламенения и горения ВЭМ нового класса на бесхлорном окислителе -нитрате аммония, частично или полностью замещающего ПХА.
При проведении исследований варьировались физическое состояние ВЭМ (гелеобразные и твердотопливные композиции), коэффициент избытка окислителя, дисперсность порошков металлического горючего, тип горючего-связующего и наличие нитраминов.
8
Научная новизна работы. Впервые исследованы гелеобразные системы “алюминий - раствор нитрата аммония”, устойчиво воспламеняющиеся в интервале температур (650-700)°С. Установлено оптимальное соотношение алюминий/окислитель и исследована эффективность полной или частичной замены нанодисперсного алюминия на промышленные партии.
Изучены закономерности воспламенения и горения нового класса бесхлорных твердотопливных композиций, отличающихся коэффициентом избытка окислителя, природой горючего-связующего, дисперсностью алюминия и содержанием октогена.
Впервые установлено, что наибольший эффект по регулированию закона скорости горения топлив в интервале давлений (2.0-5-8.0) МПа наблюдается при введении октогена, полной или частичной замене промышленных марок алюминия на нанодисперсный алюминий для систем на инертном горючем-связующем.
Выявлена возможность подбора эффективных добавок, регулирующих процесс горения ВЭМ, содержащих нанодисперсный алюминий.
Впервые получены экспериментальные и расчетные данные по снижению содержания хлорсодержащих и конденсированных веществ в продуктах сгорания нового класса ВЭМ.
Практическая значимость. Полученные в работе новые экспериментальные результаты показали возможность создания нового экономичного и экологически безопасного класса ВЭМ на основе бесхлорных окислителей, нанодисперсного алюминия и нитраминов.
Представленные результаты также являются основой для дальнейшего развития теории воспламенения и горения конденсированных систем данного класса.
Результаты исследований по теме диссертации использованы при
проведении работ по госбюджетной тематике НИИПММ ТГУ
“Исследование комплексных проблем горения, газовой динамики и
9
теплообмена применительно к энергоустановкам на твердом топливе. Разработка математического обеспечения исследований РДТТ.” (2000-2005 гг.), Единый заказ-наряд Агентства по образованию РФ для Томского госуниверситета, per. № 3.8.01.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке фантов РФФИ (проекты Ко 05-03-32729, № 05-08-18237), INTAS (проект № 03-53-5203).
Достоверность научных положений и выводов, полученных в работе, следует из строгого физического обоснования проведенных экспериментов, использования классических апробированных экспериментальных методик, воспроизводимости экспериментальных данных, качественного и количественного соответствия с результатами, полученными другими авторами в пересекающихся областях исследований, а также из проведения статистического анализа экспериментальных данных по стандартным методикам.
Положении, выносимые на защиту.
1. Результаты экспериментального исследования кондуктивного воспламенения на нагретой пластине гелеобразных топлив “алюминий -водный раствор нитрата аммония”, содержащих порошки алюминия различной дисперсности.
2. Результаты экспериментального исследования кондуктивного воспламенения твердотопливных систем, содержащих нитрат аммония, инертное горючее-связующее, октоген и порошки алюминия различной дисперсности.
3. Результаты экспериментального исследования горения твердотопливных нитратных составов, содержащих активные горючие-связующие, октоген и порошки алюминия различной дисперсности.
4. Результаты исследований по регулированию процессов
воспламенения и горения гелеобразных и твердотопливных систем путем
10
введения веществ, влияющих на ход реакций взаимодействия нанодисперсного алюминия с продуктами распада исходных компонентов топливных систем.
5. Результаты экспериментального и расчетно-теоретического исследования содержания хлорсодержащих и конденсированных веществ в продуктах сгорания нового класса ВЭМ.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских научных конференциях: Всероссийская конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации.» (Новосибирск, 2003), Всероссийская научно-техническая конференция «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2003, 2004, 2005), Всероссийская конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, 2004, 2006), IX Всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и образование» (Томск, 2005), X Всероссийская научно-техническая конференция «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 2005), XI Рабочая группа “Аэрозоли Сибири” (Томск. ИОА СО РАН 2004), X Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых “Современные техники и технологии СТТ-2004”. (Томск, 2004), V Международный семинар по структуре пламен (Новосибирск, 2005), V Всероссийская конференция молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» (Новосибирск, 2005), Международная школа-конференция молодых ученых «Физика и химия наноматериалов» (Томск, 2005), European Conference for Aerjspace Sciences (EUCASS) (Moscow, 2005).
Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 21 печатной работе. Список публикаций представлен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка используемой литературы.
11
Диссертация изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок, 54 таблицы, библиография включает 132 наименований.
Содержание работы
Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, указываются аспекты данных экспериментальных исследований и их практического применения, сформулированы цели работы.
В первой главе проведен анализ литературных данных по воспламенению и горению гелеобразных и твердотопливных ВЭМ, содержащих нитрат аммония. Рассмотрено влияние нанодисперсного алюминия и нитраминов (индивидуальных и входящих в горючее связующее) на процессы горения нитратных твердотопливных ВЭМ.
Во второй главе представлены результаты планомерного экспериментального исследования процесса воспламенения гелеобразных композиций типа «алюминий - вода», «алюминий - водный раствор этанола» и «алюминий - водный раствор нитрата аммония» в широком диапазоне коэффициента избытка окислителя систем при использовании как индивидуальных партий алюминия различной дисперсности, так и смесей на их основе.
Описана методика определения времени задержки воспламенения исследуемых систем на нагретой пластине.
Приведены данные анализа продуктов сгорания алюминия в гелеобразных топливах на содержание активного металла и нитридов алюминия.
В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования процессов воспламенения на нагретой пластине нитратных твердотопливных композиций, отличающихся коэффициентом избытка окислителя, природой горючего связующего, дисперсностью вводимого алюминия и наличием нитрамина (октогена).
12
- Київ+380960830922