Определение внутрибаллистических характеристик топлив на основе пиросмесей

По результатам экспериментальных работ [1] на одном и том же двигателе при горении одинаковых по массе образцов стехиометрической смеси топлива, в состав которого входит алюминиевый порошок фракции со средним диаметром от 5,38 мкм (фракция В-1) до 15,15 мкм (фракция GG-1) и перхлорат калия, исследователем Де Марки в камере сгорания получены уровни давления, отличающиеся по величине более чем в 40 раз. Проведенный этим автором анализ причин нестабильности уровня давления не в полной мере объясняет физико-химические процессы, протекающие в камере сгорания при горении смеси топлива, содержавшего компоненты KClO 4 и Al.

Одной из причин разброса давления, зафиксированного в экспериментальных работах [1, 2], при сгорании одной и той же массы топлива является состав продуктов горения топливной смеси: хлористый калий и оксид алюминия (если пренебречь диссоциацией хлористого калия). Оксид алюминия, как известно, в газообразном состоянии не наблюдается и таким образом не может влиять на уровень регистрируемого давления в камере. Следовательно, хлористый калий является единственным продуктом, переходящим в газообразное состояние. Для перехода хлористого калия в газообразное фазу при температуре горения состава порядка 3600 К требуется затратить около 80 % теплоты для достижения точки кипения хлористого калия, а остальные 20 % теплоты затрачиваются на нагрев газа до температуры горения смеси топлива.

В тепловом приходе возникают отклонения, обусловленные образованием соединений кислорода с алюминием [3] и тепловыми потерями на нагрев конструкции камеры сгорания, что в итоге влияет на 20 %-ную часть теплоты, которая и определяет величину давления продуктов горения, совершающих работу. А по параметру давления в основном и производят оценку физико-химической стабильности состава топлива как в рассматриваемых экспериментах работы [1], так и при отработке устройств малой мощности [4].

С точки зрения зажигательных свойств состава KClO 4 – Al при горении малой массы навески изменение величины теплоприхода на 10 % является вполне допустимым отклонением в проектируемой конструкции. Однако для рассматриваемых в исследованиях [4] устройств, работа

Расчет и конструирование

в которых производится расширяющими истекающими газами, такие отклонения однозначно не- приемлемы.

Поэтапный учёт прихода и расхода энергии газа в процессе совершени я работы устройством малой мощности характерен для пиротехнических систем и отличается от расчётов, выполняемых для силовых ракетных двигателей.

Соотношение давления в камере и теплоты продуктов горения можно выразить уравнением р н

P 0           теор

Pi  Нфак  Нк-фазы где P0 – теоретический уровень давления; Pi – фактический уровень давления; Hтеор – теоретическое значение теплосодержания продуктов горения; Hфак – фактическое значение теплосодержания продуктов горения; Hк-фазы – теплосодержание конденсированной фазы в продуктах горения.

P 0

Отношение    характеризует изменение давления в камере.

P i

На рисунке представлен график изменения да в ления в камере сгорания в зависимости от случайного отклонения в теплосодержании продуктов горения.

Вычисление произведено по уравнению (1) п р и пренебрежении зав и симости с в ойств веществ от давления и температуры.

Изменение давления в камере сгорания в зависимости от случайного отклонения в теплосодержании продуктов горения

График объясняет результаты экспериментов Д е Марки [1] и наглядно иллюстрирует, что достаточно случайного отклонения в теплосодержании хлористого калия до 19 % для возникновения 40-кратного разброса по давлению, а для двукратного разброса достаточно отклонения порядка 10 % в тепловыделении при горении пиротехнического состава смеси.

Другой не менее важной причиной разброса да в ления является откло н ение в длительности процессов физико-химических превращений веществ различной фракции, влияющей на состав продуктов горения. Например, при горении образца навески с фракцией порошка алюминия В-1 время физико-химических превращений составляет 50 мс, а при горении навески с фракцией GG-1 – около 400 мс.

Уравнение (1) и график (см. рисунок) могут быть использованы для выявления химических соединений, образующихся в камере сгорания при совершении газами работы [5]. В этом случае свойства хлористого калия, как и других галогенидов щелочных металлов, могут быть использованы в качестве индикатора при определении степени изменения теплоо б разования продуктов горения, определяющих уровень давления в камере сгорания. Своеобразная избирательность галогенидов позволяет выявить в пламени химические соединения, отсутствующие среди конечных продуктов горения металла, но влияющие на ВБ Х .

Согласно теоретическому обоснованию А.Ф. Беляева о влиянии физических свойств компо-

Головатенко В.Д., Головатенко А.В.                      Определение внутрибаллистических характеристик топлив на основе пиросмесей нентов продуктов горения на разброс давления [5], наибольшую работу, отнесенную к одному килограмму взрывчатого вещества, называемую потенциалом взрывчатого вещества, определяют по уравнению

E ^* = E + C _ν ′⋅ 298 = C _ν ′⋅ T ₁,                                                                      (2)

где E ^∗ – максима л ьно возможная удельная теплота взрыва (горения); E – удельная теплота взрыва (горения); C _ν ′ ⋅ 298 – запас энергии, которым обладает один килограмм продуктов горения при стандартной температуре (298 К ≈ 25 °С) калориметрических измерений и который может быть обращен в работу при беспредельном расширении и охлаждении до абсолютного нуля; Т ₁ – начальная (максимальная) температура взрыва.

Если в исследованиях А. Ф. Беляева [6] (за исключением смеси бертолетовой соли с алюминиевым порошком) величина C _ν ′ ⋅ 298 мала по сравнению с теплотой взрыва и в расчетах обычно отбрасывается, то в случае с пиротехническими составами величина, заменённая в уравнении (2) на величину C _ν ′ ⋅ ( Т _кип + 273) , уже значительна и должна учитываться в расчётах. Следовательно, уравнение (2 ) мож но преобразовать в следующий вид:

E ^* = C ν ′⋅ T 1 - C ν ′ ⋅ ( Т кип + 273).                                                                  (3)

Следует отметить, что для поэтапного и детального расчёта прихода и расхода теплоты горения топлива, как это рекомендует и

• С. Сарнер [7], необходимо знать энергетическое состояние продуктов разложения и горения в момент их образования [8].

Таким образом, причины разбросов ВБХ смеси алюминия и перхлората калия обусловлены в основном образованием субокислов алюминия. Полученные данные, основанные на факте, что время реакции дисмутации субокислов больше времени их пребывания в камере сгорания, предлагается использовать для оценки продуктов горения смесей твёрдого топлива с различными фракциями порошков металла.