Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2000 номер 1

Обсуждается влияние ошибок исходных данных, необходимых для предсказания условий устойчивости работы твердотопливного ракетного двигателя, на точность прогноза границы устойчивости. Показано, что в связи с резонансной зависимостью отклика нестационарного горения от частоты гармонически меняющегося давления малые вариации характеристик стационарного режима горения пороха приводят к большим изменениям нестационарного отклика. На примере простейшей задачи акустической неустойчивости двигателя исследована связь ошибок измерения исходных данных с точностью прогноза устойчивости. Подчеркивается, что при современной точности измерений параметров стационарного режима горения пороха прогноз устойчивости двигателя при некоторых реальных условиях его работы практически невозможен.

Результаты экспериментальных измерений скоростей горения и температур горящей поверхности, полученные для нитраминсодержащих порохов и октогена при различных давлениях и начальных температурах, использованы для нахождения чувствительностей скорости горения и температуры поверхности по давлению и температуре и для определения критериев устойчивости горения. Показана справедливость одномерного и квазистационарного подходов. На основе полученных данных вычислены функции отклика скорости горения на акустические пульсации давления. Оценки ошибок вычислений показывают, что сглаживание экспериментальных зависимостей для скоростей горения и температур поверхности позволяет получить функции отклика с приемлемыми по величине ошибками. Учтено влияние расплавленного слоя на поверхности горящего октогена на критерии устойчивости и функции отклика октогена. Установлено, что введение октогена в состав баллиститных порохов с катализатором значительно уменьшает амплитуды функций отклика. Изучено влияние состава порохов на эти функции.

Рассмотрены типичные систематические ошибки, возникающие при контактных измерениях температуры и концентрации в камерах сгорания. Для того чтобы уменьшить ошибки, нужно обеспечить быстрое гашение горящих газов и замораживание состава продуктов сгорания. Анализ выполнен посредством простой аналитической модели теплопередачи в зонде, результаты представлены в виде температурно-временных зависимостей, профилей температуры и скоростей гашения внутри зонда. Проверка корректности результатов измерения проводится на основе соблюдения материального баланса (сохранения количества атомов). Подробно описаны основные ошибки высокотемпературных термопарных измерений, особое внимание уделено поправкам на излучение.

Описаны результаты исследования шумов и погрешностей, сопровождающих измерения реактивной силы, возникающей при горении твердого топлива под действием лазерного излучения. Измерение реактивной силы является методом оценки отклика горящего энергетического вещества на флуктуации потока теплового излучения, генерируемого лазером. Методика основана на измерении крайне небольших значений реактивной силы, возникающей при оттоке горящего газа от поверхности. Преимущество этого способа измерений по сравнению с методикой акустической Т-камеры заключается в использовании образцов небольших размеров, низкой стоимости и потенциально более высокой точности измерений. Отрицательной стороной обсуждаемой методики является ее высокая чувствительность к шумам вследствие небольших значений измеряемой реактивной силы. В качестве источников шумов могут выступать электрические наводки, тепловой дрейф, вибрации конструкции, акустика и низкочастотные вариации атмосферного давления. Внесенные коррективы уменьшили общий уровень шумов в пять раз и позволили расширить используемый диапазон измерений с 200 до 700 Гц. Обсуждены тестовые эксперименты, и дан анализ некоторых погрешностей. Обнаружен линейный отклик реактивной силы при действии теплового потока с модуляцией амплитуды до 25 %.

Представлены результаты экспериментального исследования зависимости реактивной силы от скорости горения для модельных смесевых топлив на базе стехиометрической смеси перхлората аммония и полиметилметакрилата. Для исследования влияния диспергирования использовались топлива с добавками Al либо Al₂O₃. Вариации скорости горения осуществлялись за счет изменения начальной температуры, давления и внешнего излучения. Сделан вывод, что для определения скорости горения по величине реактивной силы параметры аппроксимирующей зависимости следует определять для каждого вида топлива при конкретных внешних условиях.

При горении конденсированных веществ возникает реактивная сила оттекающих от поверхности горения продуктов газификации. Она непосредственно связана с мгновенной массовой скоростью горения. Обсуждается специфика регистрации реактивной силы с помощью датчиков различного типа. Анализируется влияние таких факторов, как аппаратурные искажения, переменность параметров внешней среды и неодномерность горения. Делается вывод о предпочтительном использовании методики регистрации реактивной силы для измерения скорости горения с помощью предварительной экспериментальной градуировки и визуального контроля.

В ONERA в течение многих лет для измерения скорости горения используется ультразвуковая техника. В статье представлены данные, полученные для смесевых топлив при различных давлениях и начальных температурах, которые позволяют обсуждать преимущества и ограничения метода с точки зрения возможности и точности измерения. Проиллюстрирована чувствительность процесса распространения звуковых волн к соответствующим физическим характеристикам и внешним условиям. Показаны ошибки, обусловленные неадекватными корректирующими членами, принятыми в теории измерений, а также влиянием электронных шумов аппаратуры и процедуры дифференцирования экспериментальных данных. Выбор подходящих рабочих условий позволяет снизить инструментальную ошибку определения скорости горения до 1 %. Даже если ультразвуковой метод не является универсальным и идеальным, качество полученных данных достаточно высокое, чтобы обратить на него внимание.

Описаны принципы и приведен краткий обзор способов измерения скорости горения твердых топлив с помощью СВЧ-метода. Дано описание разработанного авторами измерителя скорости горения 2–миллиметрового диапазона СВЧ-излучения, и приведены предварительные результаты, полученные при работе с этим прибором. Рассмотрены ограничения метода, источники ошибок и проблемы, связанные с выбором диапазона СВЧ-излучения и схем измерения. Перечислены проблемы, которые необходимо решать для повышения точности и надежности измерений скорости горения СВЧ-методом.

Приведено описание установки, предназначенной для определения текущей скорости горения высокоэнергетических композиционных материалов. Рассмотрены методические вопросы обработки измерительной информации. Приведены результаты исследования влияния влажности образцов на скорость их горения.

С использованием коэффициентов, определяющих абсолютное значение масштабного фактора, обсуждаются типичные проблемы измерения скорости горения топлива в малых твердотопливных двигателях. Представлены определения различных параметров, используемых для нахождения скорости горения, которые согласуются с теоретическим расчетом давления в двигателе. С целью уменьшения систематической ошибки измерений и разброса экспериментальных данных подробно рассматривается влияние следующих факторов на точность измерения скорости горения: переменность показателя степени при давлении в законе горения, переходные явления, усадка топлива, вариация размеров сборки, непостоянство давления. Влияние тепловых потерь, градиентов состава и неравновесности горения не рассматривается. Кратко обсуждается применение изложенного метода к анализу результатов испытания двигателей.

Сравниваются методики определения скорости горения по заданному набору расчетных кривых давление – время в модельном ракетном двигателе, принципиально разделяющихся по критерию мгновенного либо растянутого во времени погасания. Определяются и количественно оцениваются компоненты погрешностей двух исторически сложившихся методов. Показано, что итерации с использованием метода наименьших квадратов улучшают результаты этих методик путем устранения влияния переменности давления во времени. Показано, что новый комбинированный метод обработки кривых давление – время позволяет избежать погрешностей при работе с использованными наборами модельных данных.

Нашей исследовательской группой выполняется проект, направленный на создание нестационарной трехмерной численной модели твердотопливного ракетного двигателя. Критические моменты в этой теории связаны с процессами зажигания и распространения пламени. С целью обоснования подхода, используемого в модели, были проведены экспериментальные исследования. В работе описан первый этап исследований. Основное внимание уделяется определению времени задержки зажигания и скорости распространения пламени по плоской пластине образца твердого топлива на основе перхлората аммония и полибутадиена с гидроксильными концевыми группами. Используются различные методики измерений, допускающие обобщение на более сложные геометрии и применение в других рабочих условиях в соответствии с требованиями подхода численной модели.

Исследовано горение топливных составов, содержащих гранулы динитрамида аммония. Характеристики горения топлив оказались чувствительными к микроструктуре гранул. Эксперименты показали, что эти характеристики можно улучшить "подгонкой" микроструктурных свойств гранул. Влияние микроструктуры не проявляется при стандартных измерениях скорости горения, дающих осредненное значение скорости. Оно приводит к вариациям локальной скорости горения и регистрируется как "шум", который теряется при осреднении. С помощью киносъемки горения топлива при больших увеличениях и микроструктурных исследований потушенных образцов можно получить данные, дополняющие стандартные измерения характеристик топлив, что позволяет уменьшить или устранить ошибки измерения. Обнаружено, что при использовании гранулированного динитрамида аммония разброс скоростей горения уменьшается и эффективность топлива становится выше.

Методами дифференциальной сканирующей калориметрии и термогравиметрического анализа определены кинетические скорости реакций теплового разложения трех топлив на основе перхлората аммония при давлениях до 500 psi. Для определения скорости тепловыделения результаты этих экспериментов были экстраполированы на температуры, которые, как полагают, преобладают на поверхности горящего топлива. На основе полученных значений скоростей тепловыделения и температур поверхности, определяемых условием равновесного испарения, вычислены скорости горения топлива с использованием полуэмпирической модели горения конденсированной фазы. Расчетные и экспериментальные скорости горения согласуются в пределах порядка величины. Различия между этими скоростями можно объяснить с учетом вклада теплового потока из газовой фазы в энергетический баланс на поверхности топлива. (1 psi = 6894,7 Па = 0,068 атм; 1 атм = 14,7 psi)

Горение твердого кристаллического нитрата гидроксиламмония и растворов на его основе изучено в интервале давлений 0,1÷36 МПа в бомбе постоянного давления. Обнаружена необычно сильная зависимость скорости горения от давления для кристаллического вещества, раствора его в воде с концентрацией ≈9 моль/л и раствора, содержащего в качестве горючего нитрат этаноламина: при давлении до ≈10 МПа скорость пропорциональна давлению в степени от 1,5 до 2,6. Твердое вещество сохраняет эту тенденцию до ≈20 МПа, а для растворов, горящих в турбулентном режиме, при давлении выше 10 МПа рост скорости с давлением резко уменьшается. В ряде случаев, как было обнаружено ранее, наблюдается даже снижение скорости при росте давления. Дано объяснение особенностям горения в турбулентном режиме. Предложена модель, описывающая ламинарное горение твердого вещества. Найдены кинетические константы ведущей реакции горения.

Рассмотрены вопросы интерпретации информации, получаемой в результате анализа отобранных частиц конденсированных продуктов горения алюминизированных топлив. Показано, что возникающие трудности вызваны тремя основными причинами: сложным статистическим характером процесса горения гетерогенного топлива, вследствие чего образуются агломераты с существенно полидисперсным распределением по размеру и различной (даже при одинаковом размере) структурой; особенностями выгорания агломератов, связанными с накоплением оксида на горящей частице; специфическим характером движения горящих агломератов в обтекающем газовом потоке. Предложен экспериментальный подход, позволяющий избавиться от полидисперсности агломератов и неопределенности в параметрах газообразных продуктов, оттекающих от поверхности горения