Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2013 номер 6

Замена порошков металлического горючего микронных размеров в составе твердых газогенерирующих топлив на наноразмерные стала в последние десятилетия общей тенденцией при создании новых видов топлива. Введение нанокомпонентов позволяет получать топлива с уникальными свойствами. Появление наноструктурированных газогенерирующих топлив открывает новые направления в области разработки высококонцентрированных и эффективных источников энергии. В настоящее время стремительно развиваются технологии крупномасштабного производства нанометаллических порошков и других наноструктурированных материалов с заданными характеристиками. В статье представлены классификация, описание и критический анализ основных методов производства наноразмерных и наноструктурированных материалов, используемых для производства газогенерирующих топлив. Перечислены основные преимущества, а также трудности, возникающие при использовании наноматериалов в топливных составах. Анализируются конкретные вопросы, связанные с высокой реакционной способностью и пирофорностью наноматериалов, и обусловленные ими риски. Обсуждены методы сохранения поверхности наноматериалов и ее пассивации. Основное внимание уделено методам, которые наиболее широко используются, а также тем, которые сегодня считаются перспективными.

Исследовано стационарное горение капли жидкого горючего в среде газообразного окислителя при равновесном и неравновесном испарении с поверхности. Исходя из того, что взаимодействие горючего и окислителя не ограничивается одной реакцией, а идет, как правило, по цепному или нецепному многостадийному механизму, проведено обобщение метода Шваба — Зельдовича для нескольких реакций. Полученные результаты показали, что указанный способ решения, тестированный для случая двух реакций, эффективен при решении задач горения.

Представлены результаты экспериментального исследования особенностей работы резонансной газодинамической системы воспламенения применительно к процессу запуска ЖРД малой тяги. Определены динамические характеристики процесса запуска, исследованы закономерности изменения спектральных характеристик пульсаций давления в камере сгорания стендового образца ЖРД малой тяги при воспламенении топливной смеси с помощью газодинамической системы.

Рассмотрена задача о горении тонкопленочных композиций с учетом конечной скорости реакции на межфазных границах. Получены формулы, определяющие скорость горения в диффузионном режиме и в режиме, лимитируемом граничной кинетикой. На основе этих формул предложены методики оценки параметров диффузионной и граничной кинетики. Исследованы нестационарные режимы горения, выявлены особенности перехода от кинетического режима к диффузионному.

Проведено математическое моделирование электротеплового взрыва в цилиндрических образцах, окруженных кольцевым слоем электропроводного материала. Вся система находится в цилиндрическом металлическом корпусе, электроизолированном от электропроводной среды. Теплообмен с окружающей средой протекает по закону Ньютона. Получено аналитическое решение задачи определения стационарных температурных полей при инертном нагреве в отсутствие химических источников тепла. Определены критические условия электротеплового взрыва (мощность электрического тепловыделения). В надкритическом режиме в некотором диапазоне мощности электрического тепловыделения происходит воспламенение на оси образца. При больших значениях мощности электрического тепловыделения осуществляется зажигание с поверхности образца.

Экспериментально установлено, что при протекании СВС реакционные системы (Ni—Al, Ti—B, Mo—B и др.) генерируют акустические колебания в диапазоне частот от 5 Гц до 1.1 МГц с импульсной мощностью до 17 Вт. Обнаружено, что горение различных систем характеризуется индивидуальным набором динамических параметров акустической эмиссии в режимах малоупорядоченных дискретных импульсов и высокоупорядоченных автоколебаний. Показано, что пространственная зона акустической эмиссии локализована вблизи волны горения. Проведен анализ механизмов акустической эмиссии СВС.

По результатам испытаний модуля ПВРД в условиях внешнего обдува, моделирующего полет летательного аппарата при числе Маха, равном 5, обсуждается процесс горения углеводородного топлива в пульсирующем режиме.

Проведен расчет скорости горения при отрицательном эффекте эрозии с использованием аналитических методов и в рамках простой модели химической реакции в газовой фазе A → B. В модели учитывается переход части тепловой энергии в кинетическую энергию движения газовых продуктов горения вдоль поверхности газификации топлива. Решения получены для случаев, когда толщина ламинарного подслоя больше и меньше ширины зоны горения в газовой фазе. Результаты расчета подтверждают ранее сделанный авторами вывод: слабое проявление отрицательного эрозионного эффекта при снижении начальной температуры топлива вызвано сужением области его возникновения.

Обсуждены результаты экспериментов по подводному горению баллиститного топлива в поле центробежных сил при движении фронта газообразования по направлению действия перегрузок. Реализация необходимых условий горения обеспечивалась использованием подвижного локализатора зоны горения, представляющего собой надеваемый на исследуемый образец топлива стакан из термостойкого материала.

Исследованы режимы непрерывной спиновой детонации частиц каменного угля в потоке воздуха в плоскорадиальной камере проточного типа диаметром 500 мм. Использован измельченный кузбасский длиннопламенный каменный уголь с размером частиц 1÷7 мкм, содержащий 24.7 % летучих и 14.2 % золы, влажностью 5.1 %. Для транспортирования угля в камеру и промотирования химической реакции на поверхности твердых частиц подмешивали водород. С целью снижения потерь давления воздуха в каналах, соединяющих коллектор и камеру, их сечение увеличивали до предельных размеров (25 см²) и уменьшали диаметр выходного отверстия камеры. Изменяли также угол направления потока воздуха и геометрию камеры. Достигнут минимальный уровень перепада давления в каналах подачи воздуха (16 %) при сохранении устойчивости непрерывной спиновой детонации в камере. Построена область реализованных режимов непрерывной спиновой детонации в координатах "коэффициент расхода горючего — удельный расход смеси". Результаты исследования детонационного сжигания твердых топлив могут найти практическое применение в энергетике, химической промышленности, в решении вопросов снижения загрязнения окружающей среды продуктами сгорания, в частности шлаками.

Энергетические параметры, такие как плотность, прочность связи и чувствительность к удару, определяют детонационную мощность и эксплуатационную безопасность взрывчатого вещества (или ракетного топлива). Однако экспериментальная оптимизация этих параметров представляет собой сложную задачу, поэтому до начала синтеза имеет смысл найти эти параметры, применяя численные неэмпирические методы расчета кристаллической структуры, а также квантово-химические методы в сочетании с AIM-анализом. В работе проведен расчет плотности кристалла 2,4-динитробензойной кислоты по моделям кристаллических структур, полученным путем расчета ab initio. Проведено сопоставление с экспериментальными данными. Анализ топологических характеристик связей показал, что наиболее слабыми и, следовательно, наиболее чувствительными в молекуле являются связи C—NO₂. Чувствительность связей оценена по методу Мюррея. Рассчитана чувствительность к удару. Установлено наличие больших областей отрицательного электростатического потенциала вблизи групп NO₂ и карбоксильных групп. Эти участки молекулы являются реакционно-активными.

Пирометрическим методом проведены измерения яркостной температуры и профилей давления продуктов детонации прессованных зарядов бензотрифуроксана, экспериментально определены теплота взрыва и метательная способность. Температура продуктов детонации (4 100±150 К) оказалась существенно ниже расчетных значений, приведенных в большинстве опубликованных теоретических работ. Бензотрифуроксан имеет более высокую теплоту взрыва по сравнению с октогеном, но уступает ему по скорости разлета оболочки (методика Т-20) и по энергии Гарни.

Приведены полуэмпирические уравнения состояния (термическое и калорическое) для расчета не только кинематических (скорость ударных волн, массовая скорость, реверберация волн), но и термодинамических (температура, давление, сжатие) параметров монолитного и пористого политетрафторэтилена при высоких давлениях ударного сжатия. Уравнения состояния предназначены для моделирования волновых взаимодействий в ударно-волновых экспериментах в рамках разработанного гидрокода. Уравнения проверены путем сравнения модельных расчетов с опубликованными результатами экспериментов и с данными собственных опытов по ударному сжатию монолитных и пористых образцов политетрафторэтилена в диапазоне 10÷170 ГПа.