Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2019 номер 3

В настоящее время существует большой интерес к созданию новых энергетических материалов с максимально возможным запасом энергии. Синтез таких материалов проводится на различных стадиях пилотных производств во всем мире. Однако реализация синтеза сопряжена с наличием опасных производственных процессов. В обзоре обсуждаются относительно безопасные и экологичные подходы и методы, такие как микроволновая технология и применение ионных жидкостей, для синтеза высокоэнергетических материалов с повышенными техническими характеристиками, которые могут применяться во взрывчатых веществах и ракетных топливах. Обсуждается использование пентаоксида диазота в качестве эффективного нитрующего агента для синтеза энергетических материалов.

Экспериментально изучено распространение пламени в закрытом сосуде, содержащем стехиометрическую пропановоздушную смесь и частично заполненном пористой средой. Показано, что предел распространения волн горения в пористой среде определяется текущим давлением при подходе пламени к ней, а также переходными процессами при входе волны в пористую среду. Исследовано явление динамического предела - предела распространения пламени в пористой среде, связанного с непрерывным падением давления. Показано, что область начальных давлений, в которой наблюдается динамический предел, определяется не только изменением числа молей в газовой фазе, как при распространении пламени в сосудах, полностью заполненных пористой средой, но также и охлаждением газа в свободном пространстве. Диапазон начальных давлений, в котором возможна реализация динамического предела, может быть значительно больше, чем обусловленный изменением числа молей. Этот диапазон в основном определяется теплообменом газа со стенками сосуда в области, свободной от пористой среды.

С использованием методов вычислительной гидродинамики была улучшена 24-элементная модель системы химических реакторов (СХР) для предсказания эмиссии оксидов азота в газотурбинной камере сгорания при горении бедной смеси. Вычисленная по этой модели эмиссия оксидов азота хорошо согласуется с экспериментальными данными, полученными в Корейском научном институте электрической энергии. Новая модель СХР способна учитывать сложные механизмы химических реакций. Благодаря малому времени расчета, данная модель может использоваться для анализа систем сгорания и быть интегрирована в процесс конструирования газотурбинных камер сгорания.

Представлены измерения распределения концентрации керосина в камере сгорания при числе Маха на входе 2.89 в испытаниях в режиме присоединенного воздухопровода в импульсной аэродинамической установке. Подача керосина осуществлялась через 12 струйных форсунок под углом к потоку со стенки перед каверной. Измерения были проведены в трех поперечных сечениях. Получены данные по распределению концентрации керосина на начальном участке камеры сгорания и его зависимость от соотношения импульсов струй и основного потока. Показано, что отсутствие интенсивного горения в модельной камере сгорания в этих условиях вызвано несоответствием локальных избытков топлива необходимым для воспламенения.

Исследовано горение в воздухе лент, прокатанных из порошка титана, и определено время задержки движения фронта горения при наличии односторонней преграды, ограничивающей доступ окислителя к поверхности. Показано, что выравнивание фронта горения по толщине ленты происходит на значительном расстоянии от преграды, на два порядка превышающем ее толщину. Определена критическая ширина двухсторонней преграды. Значительная длина ленты, на которой реализуется выравнивание фронта по толщине ленты при односторонней преграде, и малая критическая ширина двухсторонней преграды обусловлены поверхностным режимом горения.

Рентгенодифракционным методом с использованием синхротронного излучения проанализирована последовательность образования фаз в процессе окисления исходного и модифицированного порошков Al при нагревании в окислительных газовых средах со скоростями 10 и 100 К/мин. Установлено, что увеличение скорости нагрева модифицированного порошка АСД-4 приводит к активному росту метастабильных фаз оксида алюминия (θ- и δ'-Al₂O₃), минуя фазу g-Al₂O₃. Высказаны предположения о формах существования ванадия в продуктах взаимодействия. Показано, что снятие диффузионных ограничений в системе ядро - оболочка (Al-Al₂O₃) может быть достигнуто в результате воздействия окисляющейся частицы алюминия на физико-химические процессы на межфазных границах.

Исследованы режимы горения гранулированной смеси Ti + 0.5C при изменении расхода спутного потока азота. На основе экспериментальных данных определены параметры газового потока, отвечающие переходу от кондуктивного к конвективному режиму распространения волны горения, который характеризуется более сильной зависимостью скорости горения от величины газового потока. Предложена простая модель для расчета скорости горения в конвективном режиме и разработан метод определения границы между режимами. В соответствии с этой моделью скорость горения зависит не только от температуры горения смеси, но и от температуры воспламенения компонентов смеси в потоке активного газа.

С помощью метода предварительной механической активации реализован процесс горения смеси Ti + Ni, не горящей при комнатной температуре. Впервые исследованы зависимости скорости и максимальной температуры горения и удлинения образцов от времени механоактивации порошковой смеси Ti + Ni. Кроме того, исследованы микроструктура и фазовый состав активированных смесей и продуктов их горения. Экспериментально определено время механоактивации (9 мин), при котором максимальны скорость горения смеси и содержание основной фазы (интерметаллида TiNi) в продуктах горения. В этих условиях горение распространяется в режиме узкой зоны - максимальная температура соответствует температуре во фронте горения.

В изотермических и неизотермических условиях в твердой и жидкой фазах исследован термический распад двузамещенных солей высокоэнергетического 5,5'-азотетразола: натриевой, аммониевой, гидразиновой, гуанидиновой, аминогуанидиновой и триаминогуанидиновой. Показана связь силы основания с термической стойкостью соли 5,5'-азотетразола. Определена граница возможности существования солей 5,5'-азотетразола по показателю рK_a силы основания. Проведен анализ газообразных и конденсированных продуктов распада и предложен механизм термического распада солей 5,5'-азотетразола. Экспериментально определены энтальпии образования ряда солей 5,5'-азотетразола, на основании анализа полученных и литературных данных выбраны наиболее достоверные значения.

Экспериментально измерены стандартные энтальпии образования соединений 1-(2,2-бис(метокси-NNO-азокси)этил)пиразола, 1-(2,2-бис(метокси-NNO-азокси)этил)-3-нитропиразола и 1-(2,2-бис(метокси-NNO-азокси)этил)-4-нитропиразола - 273.6 ±6.7, 231.0 ± 3.3 и 213.8 ± 7.9 кДж/моль соответственно. На основании этих значений энтальпии определен вклад замены атома H у атомов N в гетероциклах на группу CH₂CH(N₂O₂Me) ₂ (151.9 кДж/моль). Расчетным путем установлено, что 1-(2,2-бис(метокси-NNO-азокси)этильные производные пиразола, 3- и 4-нитропиразола, 3,4-динитропиразола, 3,4,5-тринитропиразола, а также биспроизводное бисфуразано[3,4-b;3',4'-e]пиперазина уступают октогену в качестве газифицирующих компонентов смесевых твердых ракетных топлив в составах с активным связующим без металла. Некоторый интерес может представлять только производное 3,4-динитропиразола, которое при невысоком содержании в паре с перхлоратом аммония обеспечивает удельный импульс 249 с в композициях топлива, не содержащих алюминия.

Дан обзор исследований горения смесевых топлив, содержащих комбинированное горючее на основе алюминия и бора. Представлена методика исследования горения крупных частиц комбинированного горючего Al + B в воздухе. Горящие частицы Al/B диаметром 300¸700 мкм агломерационного происхождения получали посредством воспламенения помещенных в сгорающий безметалльный образец миниатюрных кусочков смесевой композиции, содержащей 32 % связующего и 68 % порошков алюминия и бора микронных размеров в соотношении Al/B = 81/19. Образованные в результате слияния множества мелких частиц агломераты горели в воздухе в свободном падении. Описаны процедуры обработки видеозаписи процесса горения и исследования конденсированных продуктов горения - остатков горения агломератов с целью определения времени горения и анализа особенностей превращения комбинированного горючего в оксид.

Методом модельных монодисперсных агломератов впервые исследовано горение агломератов Al/B (0.81/0.19) диаметром 320¸780 мкм в свободном падении в воздухе. Определена зависимость времени горения от размера. Частицы-остатки горения подвергнуты морфологическому, химическому, массовому, гранулометрическому и элементному (методом EDS) анализам. Установлено, что существенными особенностями механизма горения агломератов Al/B по сравнению с алюминием являются длительное горение; специфическая структура частицы типа ядро в оболочке, причем бор находится в ядре и отсутствует в оболочке; слабое изменение массы и диаметра частицы в процессе горения.

Получение стабильных суспензий реакционноспособных металлических порошков в жидком ракетном топливе позволяет повысить удельную тягу. Алюминий в этой связи представляет интерес благодаря свой доступности, стабильности и высокой энтальпии горения (32000 Дж/г). Частицы сверхтонкого алюминия сферической формы со средним размером 15 мкм получены методом мокрого размола. Поверхность частиц алюминия была эффективно модифицирована полимерным поверхностно-активным веществом и стерически стабилизирована в растворителе (толуол). Органически модифицированный алюминий полностью изменил поверхностные свойства, став вместо гидрофильного гидрофобным, легко переходя из водной среды в органическую. Стабилизированные частицы легко распределялись по жидкому ракетному топливу (гидразину). Влияние частиц алюминия на горение гидразина оценено в расчете по термодинамической программе ICT (Институт химической технологии в Германии, 2008). Алюминий повышает температуру горения, кислородный баланс, характеристическую скорость истечения и удельный импульс. Установлено, что оптимальная концентрация алюминия в гидразине составляет 6 % по массе.

Предложена модель воспламенения и горения агломерата бора, учитывающая изменение параметров отдельных частиц бора в агломератах, а также тепло- и массообмена между агломератами и окружающей средой. Спроектирован и проведен эксперимент в струйной камере сгорания с использованием топливной суспензии на основе бора с целью проверки конфигурации струи и верификации модели горения частиц бора. Разработана математическая модель многофазного реагирующего потока суспензионного топлива на основе бора в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя. Капли керосина и частицы бора вводились дискретно в поле потока горелки, и их траектории отслеживались с использованием модели дискретной фазы. Подробно проанализировано влияние размера агломератов, расхода воздуха, начального диаметра частиц бора и содержания частиц бора на эффективность сгорания топливной суспензии. Показано, что эффективность сгорания уменьшается с увеличением размера агломератов, начального диаметра частиц бора и их содержания и увеличивается с ростом расхода воздуха из обводного канала. Если диаметр агломерата превышает 100 мкм или расход воздуха из обводного канала составляет менее 50 г/с, полное сгорание частиц бора невозможно.