Журнал прикладной химии. 2019. Т. 92. Вып. 5

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ И ПРОЦЕССОВ

УДК 536.463, 662.61

ГОРЕНИЕ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В ГАЗОГЕНЕРАТОРЕ

ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ

ПРИ БОЛЬШОМ СОДЕРЖАНИИ МЕТАЛЛА

М. С. Шаров^1,2, А. В. Шиховцев², Л. С. Яновский^1,2

¹ Центральный научно-исследовательский институт авиационного моторостроения

им. П. И. Баранова, Москва

² Институт проблем химической физики РАН, г. Черноголовка Московской обл.

E-mail: shav@icp.ac.ru

Поступила в Редакцию 28 сентября 2018 г.

После доработки 30 января 2019 г.

Принята к публикации 4 февраля 2019 г.

Исследованы особенности горения твердого топлива с высоким содержанием металла (свыше 40%) в

условиях отдельно расположенного газогенератора воздушно-реактивного двигателя. Показано, что

твердое топливо с высоким содержанием металла горит в режиме преимущественного тепловы-

деления в конденсированной фазе. Установлено, что металлическое горючее в условиях конденсиро-

ванной фазы служит не простым поглотителем тепла, а играет активную роль в процессе горения.

Окисление металла в условиях конденсированной фазы обеспечивает поддержание теплового баланса

конденсированной фазы при горении твердого топлива.

Ключевые слова: твердое топливо; газогенератор; воздушно-реактивный двигатель; горение; метал-

лическое горючее; окислитель; горючее-связующее; твердый остаток

DOI: 10.1134/S0044461819050037

В настоящее время в большинстве промышленно

дого топлива вытекает из сопла двигателя, создавая

развитых стран мира ведутся активные работы по соз-

силу тяги [1].

данию ракет с прямоточными воздушно-реактивными

Чтобы повысить теплотворную способность то-

двигателями (ПВРД) на твердом топливе. Интерес к

плива и увеличить дальность полета ракеты, в состав

их созданию вызван тем, что такие двигатели спо-

газогенераторного топлива вводят частицы алюми-

собны обеспечить в 2-3 раза большую дальность

ния, магния, бора. При этом массовую долю метал-

полета, чем традиционные ракетные двигатели на

лических частиц в заряде стремятся по возможности

твердом топливе (РДТТ). В ПВРД на твердом топливе

увеличить. Так, например, в патенте [2] предлагается

горение топлива, как правило, происходит в отдель-

топливо, содержащее 52% металлического горючего

но расположенном газогенераторе. Образовавшиеся

(бор), 25% окислителя (перхлората аммония) и 23%

продукты сгорания истекают из газогенератора в

горючего-связующего (каучука).

воздушный тракт камеры сгорания ПВРД, где они

Цель данной работы заключалась в исследовании

догорают после смешения с атмосферным воздухом.

процесса горения металлизированного топлива с тем,

Горячий воздух вместе с продуктами догорания твер-

чтобы увеличить долю металлического горючего в за-

567

568

Байков А. В. и др.

топлива торцевого горения 3 имеет бронирование 4,

предотвращающее его горение по боковым поверхно-

стям. В газогенераторе размещены вольфрам-рение-

вые термопары с открытым спаем 5. Одна термопара

служит для определения температуры газов вблизи

от горящей поверхности, другая — для определения

температуры перед соплом. Давление измеряется

по отдельному каналу 6, открывающемуся в при-

соединенный объем газогенератора. Для измерения

давления в камере газогенератора используются тен-

зометрические датчики давления. Воспламенение

заряда производится с помощью воспламенителя,

инициируемого с помощью электрозапала, провода

от которого выводятся через сопло.

Типичные циклограммы давления и температуры

продуктов сгорания в объеме газогенератора, полу-

ченные в экспериментах, представлены на рис. 2.

В проведенных экспериментах стационарное горение

Рис. 1. Схема стендового газогенератора, предназна-

топлива происходило при давлении 0.5-1.0 МПа, без

ченного для испытания модельных образцов твердого

проявлений неустойчивости, с линейной скоростью

топлива.

3.3-3.4 мм·с^-1.

1 — силовой корпус, 2 — теплозащитное покрытие, 3 —

Анализ результатов проведенных исследований.

заряд твердого топлива, 4 — бронировка заряда, 5 — тер-

Согласно современным представлениям о процессе

мопары, 6 — канал измерения давления.

горения твердого топлива, разложение перхлората

аммония является основным источником тепла, обе-

ряде для повышения дальности полета ракеты, на

спечивающим нагревание и разложение твердого

которой это топливо используется.

вещества заряда в условиях конденсированной фазы

Экспериментальные исследования модельного

(или К-фазы) [4-6]. Образовавшиеся при этом газы

газогенератора твердого топлива. На рис. 1 пред-

горят над твердой поверхностью и создают тепловой

ставлена схема твердотопливного газогенератора,

поток, который поступает в К-фазу, поддерживая

который использовался для исследования характери-

в ней тепловой баланс, необходимый для горения

стик горения модельных образцов твердого металли-

топлива.

зированного топлива. Газогенератор имеет силовой

Но в случае топлива с составом, указанным в па-

корпус 1, который воспринимает давление образу-

тенте [3], выделение тепла от разложения перхлората

ющихся при горении топлива газов. Для защиты от

аммония способно обеспечить менее 50% от общего

контакта с горячими газами корпус имеет теплоза-

количества тепла, необходимого для нагревания и

щитное покрытие на основе каучука 2. Заряд твердого

разложения твердого топлива (рис. 3).

Рис. 2. Циклограммы давления и температуры газов в газогенераторе при горении образца твердого топлива.

Горение твердого топлива в газогенераторе воздушно-реактивного двигателя при большом содержании металла

569

вой поток в данном случае не превышает 50 кВт·м^-2,

что примерно на два порядка меньше величины,

необходимой для поддержания теплового баланса.

Остается предположить, что в К-фазе существуют до-

полнительные источники тепла, присутствие которых

не учитывается в традиционной теории.

Экспериментальные исследования отдельных

аспектов процесса горения высокометаллизирован-

ного топлива. Для проверки гипотезы о дополнитель-

ных источниках тепла были проведены эксперименты

по сжиганию модельных образцов твердого топлива

в бомбе постоянного давления [8]. Для проведения

экспериментов использовались модельные смеси,

Рис. 3. Изменение энтальпии продуктов разложения

имитирующие образцы твердого топлива, которые

К-фазы твердого топлива и количества тепла, которое

проходили испытания в условиях стендового газо-

может выделиться в К-фазе за счет разложения окис- генератора.

лителя в зависимости от температуры поверхности

Составы образцов, проходивших испытания в бом-

твердого топлива для топлива, аналогичного топливу, бе постоянного давления, представлены в табл. 1.

указанному в патенте [3].

Образцы топлива готовили в лабораторных ус-

1 — энтальпия продуктов разложения твердого топлива, ловиях. Использовали мелкодисперсный перхлорат

2 — количество тепла при разложении перхлората ам-

аммония с максимальным диаметром частиц 50 мкм,

мония.

порошок алюминия АСД-4 и мелкодисперсный по-

рошок аморфного бора БСД-УП3-Э. В качестве ка-

Поскольку горение твердого топлива возможно

тализатора, способствующего ускорению горения

только при поддержании теплового баланса в К-фазе,

топлива, использовалось металлоорганическое сое-

можно предполагать, что недостающее тепло К-фаза

динение ДАФ [1,1-диэтилферроцен (C₅H₄C₂H₅)₂Fe].

получает за счет теплового потока, приходящего из

Образцы имели цилиндрическую форму диаметром

газовой фазы. Но, как показывают оценки [7], тепло-

7 мм и длиной 10-11 мм. Каждый образец помещали

Таблица 1

Составы модельных образцов твердого топлива, аналогичных по составу образцам топлива,

проходившим испытания в условиях газогенератора

Катализатор

Окислитель

Металлическое горю-

ДАФ-2

№ состава

Горючее-связующее, мас%

(ПХА), мас%

чее, мас%

(сверх 100%

основного состава)

30.0

Синтетический изопреновый каучук — 30.0

Al — 40.0

3.0

30.0

Синтетический изопреновый каучук — 30.0

B — 40.0

3.0

30.0

Синтетический изопреновый каучук — 30.0

B — 40.0

0.0

30.0

Cинтетический диеновый каучук — 30.0

Инертный имитатор

3.0

металла Al₂O₃ —

40.0

30.0

Cинтетический диеновый каучук — 30.0

Инертный имитатор

3.0

металла MgO —

40.0

30.0

Cинтетический диеновый каучук — 30.0

Zr — 32.8

3.0

B — 8.2

* Cостав не содержал катализатора ДАФ.

570

Байков А. В. и др.

Таблица 2

Результаты испытаний образцов топлива в приборе высокого давления

№

Скорость горения,

Твердый

№ состава

Давление, МПа

Масса образца, г

испытания

мм·с^-1

остаток, мас%

1.0

3.3

1.02

59.7

2.0

4.1

1.03

58.7

4.6

5.5

0.88

62.3

1.0

2.35

1.0

56.0

2.0

3.7

0.98

56.1

5.0

5.4

1.0

64.0

2.0

2.4

1.15

64.4

Контрольный

2.0

3.9

0.88

65.9

образец

топлива

5.0

Горение

1.20

—

отсуствует

5.0

Горение

1.18

—

отсутствует

2.0

5.2

1.50

52.3

2.0

5.3

1.03

54.0

в стакан из текстолита, который оставлял свобод-

диспергируется в твердом виде вместе с металличе-

ной только одну торцевую поверхность, по которой

скими частицами.

происходило горение. Перед установкой в стакан

При замене металлического горючего в образце на

негорящие поверхности образца покрывали эпоксид-

инертное вещество (испытания № 9, 10, табл. 2) го-

ным клеем. Контрольный образец твердого топлива

рения образцов не наблюдалось. Это свидетельствует

готовили путем вырезания цилиндрического образца

о том, что дополнительное тепловыделение в К-фазе

из заряда заводского изготовления и также устанав-

твердого топлива связано в основном с окислением

ливали в стакан из текстолита.

металлических частиц. Окисление горючего-связу-

Все образцы сжигали в бомбе постоянного дав-

ющего тоже вносит определенный вклад (испытание

ления емкостью 3 л. Повышенное давление созда-

№ 7), но он не является ведущим, так как при отсут-

валось путем заполнения свободного объема бомбы

ствии металла в заряде горение твердого топлива

сжатым азотом. Результаты проведенных испытаний

становится невозможным.

представлены в табл. 2. Как показали эксперименты,

Замена частиц бора на алюминий не приводит к

при сжигании образцов топлива в бомбе постоянного

существенному изменению скорости горения. Но

давления диспергирование твердых частиц из тексто-

введение в состав топлива химически более актив-

литового стакана в объем бомбы происходило не пол-

ного тяжелого металла — циркония дает увеличение

ностью. Часть твердого остатка оставалась в стакане,

скорости горения на 40% по сравнению с алюмини-

а часть выбрасывалась во внутренний объем. Это

ем (испытания № 1 и 11). Это подтверждает точку

давало возможность собрать весь образовавшийся

зрения, что основным источником дополнительного

твердый остаток и определить его массу. Полученная

тепловыделения в К-фазе является окисление метал-

масса остатка во всех случаях была больше массы

лических частиц в потоке продуктов термического

металла, содержащегося в образце. Это свидетель-

разложения окислителя.

ствует о том, что только часть горючего-связующего

Отметим, что в условиях бомбы газофазное горе-

газифицируется при горении образца, а остальное ние над твердой поверхностью заряда происходило

Горение твердого топлива в газогенераторе воздушно-реактивного двигателя при большом содержании металла

571

в условиях пористого шлака, заполнявшего сгорев-

Жолудев Анатолий Федорович, ORCID: https://

ший объем. При этом изменение режима газофазного

orcid.org/0000-0002-6537-9846

горения не оказало заметного влияния на скорость

Кислов Михаил Борисович, ORCID: https://orcid.

горения твердого топлива. Это также свидетельствует

org/0000-0001-7058-3369

о том, что при горении твердого топлива опреде-

Пучковский Игорь Владиславович, ORCID: https://

ляющую роль играют тепловые процессы в К-фазе

orcid.org/0000-0003-1726-4304

твердого топлива.

Байков Алексей Витальевич, ORCID: https://orcid.

org/0000-0002-9286-6180

Выводы

Шаров Михаил Сергеевич, ORCID: https://orcid.

org/0000-0002-7980-7434

1. Горение твердого топлива с высоким содержа-

Яновский Леонид Самойлович, ORCID: https://

нием металла происходит в условиях, когда выделе-

orcid.org/0000-0002-2603-6795

ния тепла от разложения окислителя (перхлората

аммония) недостаточно для поддержания теплового

баланса К-фазы, необходимого для горения.

Список литературы

2. Недостающее тепло К-фаза получает за счет

[1] Александров В. Н., Быцкевич В. М., Верхоломов В. К.,

частичного окисления металлических частиц газо-

Граменицкий М. Д., Дулепов Н. П., Скибин В. А.,

образным потоком продуктов разложения окислителя

Суриков Е. В., Хилькевич В. Я., Яновский Л. С.

непосредственно в условиях К-фазы.

Интегральные прямоточные воздушно-реактивные

двигатели на твердых топливах. Основы теории и

Финансирование работы

расчета / Под ред. Л. С. Яновского. М. Академкнига,

2006. 343 с.

Работа выполнена на средства Института про-

[2] Цуцуран В. И. Введение в технологию энерго-

блем химической физики РАН по теме 008920150221

насыщенных материалов. М.: Изд-во МО РФ, 2007.

«Исследования рабочих процессов при горении твер-

300 с.

дых топлив в камере сгорания высокоскоростного

[3] Pat. US (publ. 1976). Boron-Fuel-Rich Propellant

прямоточного воздушно-реактивного двигателя» при

Composition.

финансовой поддержке программой Президиума РАН

[4] Манелис Г. Б., Назин Г. М., Рубцов Ю. И., Стру-

«Фундаментальные основы прорывных технологий

нин В. А. Термическое разложение и горение взрыв-

в интересах национальной безопасности» (тема

чатых веществ и порохов. М.: Наука, 1996. 224 с.

«Разработка твердых топлив и горючих для газоге-

[5] Шленский О. Ф. Горение и взрыв материалов. М.:

Машиностроение. 2012 216 с.

нераторов прямоточных…»).

[6] Решетников С. М., Решетников И. С. Анатомия

горения. М.:НГСС, Нефтегазсофтсервис, 2014.

Конфликт интересов

247 с.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта инте-

[7] Baikov A. V., Olesova N. I., Razmyslov I. V., Puchkov-

ресов, требующего раскрытия в данной статье.

skij I. V., Toktaliev P. D., Shikhovtsev A. V., Yanov-

skiy L. S. // Proc. 11th Int. High Energy Materials Conf.

Exhibit (HEMCE-2017). Pune, India, 23-25 November

Информация об авторах

2017. V. 1 P. 27-36.

Шиховцев Алексей Владимирович, ORCID: https://

[8] Бахман Н. Н., Беляев А. Ф. Горение гетерогенных

orcid.org/0000-0003-3307-6768

конденсированных систем. М.: Наука, 1967. 226 с.