Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2015 номер 1

Представлено современное состояние проблемы инициирования горючих смесей. Даны рекомендации по использованию различных формул для оценки критической энергии (как воспламенения смеси, так и инициирования детонации). Отмечено важное значение пространственного и временного компонентов в законе энерговыделения, особенно для оптимизации инициирования. Сформулированы нерешенные и новые задачи теории горения и детонации.

Представлено современное состояние экспериментальных исследований непрерывной детонации топливовоздушных смесей в проточных кольцевых камерах сгорания. Подробно проанализированы, систематизированы и обобщены экспериментальные данные для смесей C₂H₂ — воздух, H₂ — воздух, СO/Н₂ — воздух. Описаны основные особенности непрерывной спиновой детонации и влияние на нее геометрических параметров проточных камер сгорания. Проанализировано влияние физических и химических параметров на область реализации непрерывной детонации. Сформулирован вывод о том, что полученные к настоящему времени фундаментальные научные знания о непрерывных детонационных процессах в водородных и углеводородных горючих позволяют говорить о возможности их применения в воздушно-реактивных детонационных двигателях.

Проведено численное исследование трехмерной детонации в каналах различного поперечного сечения и спиновой детонации в каналах круглого сечения. Изучена возможность формирования галопирующей детонации в сверхзвуковом потоке смеси с переменной по ширине плоского канала концентрацией горючего. Получены условия формирования детонации при воздействии движущихся границ области течения при вращении эллиптического цилиндра и в квадратной камере изменяющегося размера. Проведены расчеты формирования трехмерной детонации в сверхзвуковом потоке в канале винтовой формы с эллиптическим сечением и в канале переменного квадратного сечения.

Построены аналитические решения задачи о схлопывании уединенной сферической оболочки или полости в идеальной сжимаемой жидкости с постоянной в процессе движения плотностью. Исследовано влияние газа, находящегося в полости, на движение ее границы. Предложена количественная характеристика кумуляции энергии. Получено выражение для кумуляции энергии при схлопывании оболочки или полости. Проведено сравнение кумуляции энергии с результатами Е. И. Забабахина.

Проведен аналитический обзор современных квазигомогенных и дискретных моделей безгазового горения. Особое внимание уделено экспериментам, которые дают возможность различить гомогенный и микрогетерогенный режимы этого процесса. Показано, что в тех случаях, когда выводы разных теоретических моделей предсказывают различное поведение волны горения на макроскопическом или микроскопическом уровне, экспериментальные проверки говорят в пользу дискретных моделей. Развитие этих моделей позволяет по-новому взглянуть на проблему управления параметрами распространения волн безгазового горения и создания реакционных составов с заданными строго воспроизводимыми характеристиками.

Представлен обзор результатов исследования характеристик конденсированных взрывчатых веществ (ВВ), в зоне реакции которых распределение параметров не соответствует классической теории детонации. Рост давления и массовой скорости за ударным скачком в жидких ВВ и возможность существования стационарной детонационной волны без химпика в прессованных ВВ интерпретируются в рамках моделей, учитывающих возможность химической реакции непосредственно во фронте ударной волны. Отмечается, что при отсутствии химпика может быть реализована как детонация Чепмена — Жуге, так и недосжатый детонационный режим.

Предложен метод фазовой плоскости для моделирования полей течения, связанных с детонационными волнами, распространяющимися с постоянной скоростью в зарядах тротила. Для формулировки задачи на фазовой плоскости переменных "безразмерная скорость звука Z — радиальная скорость F" использовались преобразования подобия. Получено два связанных обыкновенных дифференциальных уравнения, которые решаются совместно. Решение соответствует интегральной кривой Z(F) на фазовой плоскости, начинающейся из точки Чепмена — Жуге и заканчивающейся в особой точке A — звуковой точке за фронтом волны. Система замыкается соотношениями для термодинамических переменных вдоль изоэнтропы расширения, проходящей через точку Чепмена — Жуге. В результате формируется полное уравнение состояния термодинамической системы. Параметры в точке Чепмена — Жуге и на изоэнтропе рассчитаны с применением термодинамического кода Cheetah. Получены решения для плоской, цилиндрической и сферической детонационных волн. Рассчитаны профили концентраций компонентов продуктов взрыва, основным компонентом (≈10 моль/кг) оказался углерод в форме графита. Для инициализации одномерного газодинамического моделирования использовано автомодельное решение, которое описывает начальную стадию расширения продуктов детонации и формирование взрывной волны в воздухе. Подобное моделирование обеспечивает проникновение в суть термодинамических состояний и распределений компонентов продуктов взрыва, которые в начальный момент ответственны за оптическое излучение огненного шара при взрыве заряда тротила.

Обобщены экспериментальные данные авторов о получении и свойствах тонкослойных наноструктурированных зарядов взрывчатых веществ (ВВ), получаемых методом термовакуумной возгонки. Суть метода заключается в сублимации ВВ при нагревании в условиях глубокого вакуума с последующим осаждением (конденсацией) паров ВВ на подложку. Показано, что в этих условиях формируются наноструктурированные поликристаллические слои ВВ, содержащие большое количество микродефектов (пор, дислокаций). При взрывчатом превращении в осажденном слое ВВ наноразмерные и субмикронные дефекты структуры выполняют роль "горячих точек". Результатом является существенное снижение критических размеров детонации. Заряды наноструктурированных ВВ, исследованных авторами, способны детонировать при толщине слоя 20÷100 мкм. При этом скорость их детонации существенно меньше зависит от толщины слоя, чем зарядов тех же ВВ, изготовленных по традиционным технологиям. Наноструктурированные ВВ могут быть использованы и как компоненты взрывчатых составов с улучшенной детонационной способностью.

Рассмотрены особенности получения механоактивированных энергетических композитов (МАЭК) на основе твердых горючих (Al, Mg, Si) и окислителей (S, MoO₃, (—C₂F₄—)_n , KClO₄, NH₄ClO₄ и др.). По сравнению с обычными механическими смесями для МАЭК удается существенно повысить скорость горения, а в некоторых случаях получить высокоскоростные детонационноподобные режимы. Распространение реакции в МАЭК сопровождается высоким энерговыделением, сопоставимым с теплотой взрыва мощных алюминизированных взрывчатых составов. Композиты обладают высокой чувствительностью к тепловым воздействиям и способны к быстрому переходу от горения к детонации. Результаты, полученные в работе, позволяют рассматривать составы на основе МАЭК в качестве перспективных энергетических материалов широкого круга применения от воспламеняющих и инициирующих составов до компонентов небольших зарядов в микросистемных устройствах.

Левитационно-струйным методом Гена — Миллера синтезированы частицы алюминия диаметром ≈50 нм, на поверхности которых сформированы покрытия из оксида алюминия или триметилсилоксана. Нанокомпозиты октоген/алюминий, изготовленные путем распылительной сушки суспензии или сухого механического смешения, исследованы методами рентгенофазового анализа, растровой электронной микроскопии и локального рентгеноспектрального анализа. Изучены закономерности горения этих смесей при изменении размера частиц компонентов и состава покрытия на частицах металла. Установлено, что при хранении в насыпном виде композитов, полученных методом распылительной сушки, происходит рост кристаллов октогена, что приводит к росту скорости горения прессованных образцов от 19 до 55 мм/с в диапазоне давления 3÷10 МПа, при этом показатель степени в зависимости скорости горения от давления изменяется от 0.34 до 0.84.

Рассмотрена двумерная модель распространения волны фильтрационного горения в плоском канале при спутном продуве газа, содержащего окислитель. Показано, что увеличение проницаемости пористой среды при выгорании топлива приводит к потере устойчивости плоского фронта и возникновению структуры, называемой фингером. Дано объяснение причин возникновения фингера, и определены зависимости его наиболее важных характеристик от соотношения проницаемостей исходного топлива и продуктов сгорания, от теплоемкости вдуваемого газа и ширины канала, в котором осуществляется процесс фильтрационного горения.

Предложен новый взгляд на структуру сигнала светимости, регистрируемого оптическим пирометром, при измерении яркостной температуры детонационного фронта эмульсионного взрывчатого вещества с микробаллонами из стекла в качестве сенсибилизатора. Структура оптического сигнала типична для гетерогенных взрывчатых веществ: сначала короткий "температурный всплеск" до 2500÷3400 K, связанный с формированием слоя "горячих точек", поджигающих матрицу, способную к выделению энергии, затем — релаксация светимости до квазиравновесного уровня, соответствующего температуре 1880÷2370 K при давлении детонации 0.7÷11 ГПа. Наблюдается удовлетворительное соответствие экспериментальных данных и результатов независимых расчетов.

Проведены измерения динамического предела упругости и откольной прочности высоколегированной хромомарганцевоникелевой стали в области температурного мартенситно-аустенитного перехода –120÷200 ˚C путем регистрации полных волновых профилей с помощью лазерного интерферометра VISAR и их последующего анализа. Найдено, что откольная прочность исследуемой стали в мартенситной фазе на 25÷30 % выше прочности стали в аустенитной фазе. Причем прочность уменьшается ступенчатым образом в узком температурном диапазоне, примерно –50÷20 ˚C, где, по-видимому, и происходит основное изменение внутренней структуры стали вследствие мартенситно-аустенитного перехода. Измеренные значения динамического предела упругости высоколегированной стали имеют достаточно большой разброс и слабо уменьшаются с ростом температуры без каких-либо особенностей, связанных с мартенситно-аустенитным превращением структуры.

На основе численного моделирования в рамках двумерной осесимметричной задачи механики сплошных сред проанализированы особенности формирования высокоскоростных компактных элементов кумулятивными зарядами с облицовкой комбинированной формы полусфера — цилиндр. Исследовано влияние на параметры формируемых компактных элементов радиуса и толщины полусферической части комбинированной облицовки. Показано, что при взрывном обжатии полусферических облицовок, толщина которых уменьшается от вершины к основанию, происходит увеличение скорости формирующегося струйного течения. При переходе (с целью увеличения скорости формируемых компактных элементов) к полусферической части переменной толщины необходимо дополнительное решение двух проблем — организации своевременной "отсечки" головной части струйного течения с возросшей скоростью и увеличения ее массы. Для этого предложено использовать струеобразующую часть комбинированной облицовки в форме усеченной сферы или слегка вытянутого эллипсоида вращения. Разработаны варианты комбинированных кумулятивных облицовок в форме усеченного эллипсоида переменной толщины, позволяющие формировать компактные элементы со скоростью 7.5÷10 км/с.