Химическая физика, 2020, T. 39, № 7, стр. 32-40
Зажигание и горение смесевых твердых топлив на основе двойного окислителя и борсодержащих добавок
А. Г. Коротких 1, 2, *, И. В. Сорокин 1, Е. А. Селихова 1, В. А. Архипов 2
1 Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Томск, Россия
2 Национальный исследовательский Томский государственный университет
Томск, Россия
* E-mail: korotkikh@tpu.ru
Поступила в редакцию 28.08.2019
После доработки 29.01.2020
Принята к публикации 20.02.2020
Аннотация
Использование борсодержащих порошковых материалов в составе смесевых твердых топлив является эффективным методом увеличения энергетических характеристик в камере сгорания благодаря высокой теплоте сгорания частиц бора. В работе изучены порошки аморфного бора и боридов алюминия, полученные методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, которые добавляли в состав твердого топлива на основе двойного окислителя и активного горючего-связующего. Получены характеристики термического разложения, зажигания и горения твердых топлив. Зажигание образцов топлив осуществляли с помощью непрерывного СО2-лазера в воздухе в диапазоне плотности теплового потока 90–200 Вт/см2. Горение образцов топлив осуществляли в манометрической бомбе в атмосфере азота при давлениях от 0.5 до 7.0 МПа. Показано, что использование порошков аморфного бора и боридов алюминия в составе твердого топлива значительно снижает времена задержки зажигания и увеличивает скорость горения образцов по сравнению с составом топлива, содержащим порошок алюминия, за счет увеличения температуры вблизи поверхности реакционного слоя образца и удельного выделения тепла при окислении и горении бора.
ВВЕДЕНИЕ
Порошки бора и боридов металлов являются наиболее перспективными компонентами твердого и гибридного ракетного топлива за счет их высоких значений удельной энергии, выделяемой в процессе окисления и горения. Среди металлических горючих твердых топлив, используемых в аэрокосмической промышленности, бор имеет наиболее высокие значения массовой и объемной теплоты сгорания: ~58 кДж/г и 136 кДж/см3 соответственно [1–4], что примерно в 2 раза выше по сравнению с алюминием. При этом частицы бора имеют длительные времена зажигания и сгорания за счет образования инертного оксидного слоя на поверхности частицы, что в конечном счете приводит к неполному выгоранию частиц при движении их в камере сгорания. Температуры плавления и кипения оксида бора составляют 450 и 1860 °C [2], соответственно, что значительно ниже аналогичных значений температур для чистого бора (2075 и 3658 °C [1]). Процесс горения бора проходит многостадийно с большим потреблением окислителя и включает в себя гетерогенные реакции между газообразным окислителем, жидкой фазой оксида бора и твердой фазой бора [5–7]. В современных ракетных двигателях скорость воздушного потока во вторичной камере сгорания достигает достаточно высоких значений (выше 100–200 м/с). Таким образом, частицы бора находятся во вторичной камере сгорания не более 10 мс [8]. В результате длительного зажигания и горения теплотворная способность частиц бора не может быть полностью реализована в течение ограниченного времени их пребывания в камере сгорания. Кроме того, в переходных режимах работы двигателя возможны нестационарные процессы горения твердого топлива, сопровождающиеся резким изменением давления в камере сгорания [9], что приводит к изменению скорости горения высокоэнергетических композиций [10], удельного импульса [11] и неустойчивости горения.
Один из способов интенсификации процессов зажигания и горения бора в камере сгорания – применение легковоспламеняющихся и быстрогорящих металлов, которые можно использовать в качестве механосмесей или сплавов. Использование композиций металл/бор, например Al/B, Mg/B, Mg/Al/B, Zn/B, Fe/B, Cu/B, либо их оксидов способствует ускорению окисления бора, позволяет существенно снизить времена задержки зажигания и увеличить полноту сгорания частиц горючего [12–20]. Особый интерес представляют бориды алюминия, титана и магния, которые можно рассматривать в качестве компонентов твердого топлива благодаря их высокой теплоте сгорания (на уровне бора) и лучшей воспламеняемости [21–24].
В данной работе представлены результаты экспериментального исследования характеристик термического разложения, зажигания и горения смесевых твердых топлив (СТТ) на основе двойного окислителя – активного горючего-связующего, содержащих порошки боридов алюминия AlB2 и AlB12, а также аморфного бора и алюминия.
1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ
1.1. Составы СТТ
Для исследования характеристик термического разложения, зажигания и горения использовали четыре состава твердого топлива (табл. 1) с одинаковым значением коэффициента избытка окислителя, равным 0.65. Первый, базовый состав топлива, содержал 15 мас.% перхлората аммония (ПХА), фракции 160–315 мкм; 35 мас.% нитрата аммония (НА), фракции меньше 100 мкм; 20 мас.% активного горючего-связующего (АГС) и 30 мас.% металлического горючего – микроразмерный порошок алюминия АСД-4 со среднемассовым диаметром частиц d43 = 10.8 мкм (рис. 1). В других составах СТТ алюминий полностью замещали на порошки аморфного бора B (d43 = 2.0 мкм), диборида алюминия AlB2 (d43 = 6.2 мкм, 55.5 мас.% Al и 44.5 мас.% B) и додекаборида алюминия AlB12 (d43 = 2.3 мкм, 17.2 мас.% Al и 82.8 мас.% B), полученные методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в НИИ ПММ ТГУ.
1.2. Экспериментальные установки
Измерения температур начала, конца и интенсивного окисления, скорости химических реакций, изменения массы используемых порошков металлов, аморфного бора, а также исследуемых образцов СТТ проводилось с помощью совмещенного ТГА/ДСК/ДТА-анализатора Netzsch STA 449 F3 Jupiter в воздухе (для порошков металлов) и аргоне (для образцов топлив) при скорости нагрева печи 10 °С/мин в керамических тиглях.
Зажигание образцов топлив осуществлялось на экспериментальном стенде, состоящем из СО2-лазера непрерывного действия максимальной мощностью 200 Вт с длиной волны излучения 10.6 мкм, и системы регистрации параметров зажигания (рис. 2а). Перед опытом образцы СТТ нарезались на таблетки диаметром 10 мм и высотой 5 мм. При этом торцевая поверхность образцов визуально контролировалась на предмет отсутствия пор, углублений и трещин. Диаметр падающего лазерного луча на торцевую поверхность топлива был примерно равен диаметру образца. Тепловой поток имел максимальное значение на оси луча и минимальное – на периферии. Распределение температуры по площади сечения лазерного луча, измеренное на поверхности огнеупорного образца с применением тепловизионной камеры, представлено на рис. 2б.
Рис. 2.
Схема экспериментальной установки на основе непрерывного CO2-лазера (а) и распределение температуры по площади сечения лазерного луча (б); 1 – CO2-лазер, 2 – полупрозрачное зеркало, 3 – электромагнитный затвор, 4 – линза, 5 – образец СТТ, 6 – держатель образца, 7 – фотодиоды, 8 – измеритель мощности излучения, 9 – тепловизионная камера, 10 – АЦП, 11 – ПК.
Исследуемый образец СТТ 5 (рис. 2) крепился к держателю 6. При открытии электромагнитного затвора 3, время открытия которого составляло ~5 мс, излучение направлялось на торцевую поверхность исследуемого образца СТТ. Сигналы от фотодиодов 7 передавались через АЦП 10 сигналов L-card Е-14-440 и записывались в персональный компьютер 11, а затем обрабатывались с помощью программного приложения LGraph2. Время задержки зажигания tign СТТ определяли по разности моментов времени изменения сигналов от фотодиодов 7, один из которых регистрировал открытие электромагнитного затвора 3, а второй – появление пламени над торцевой поверхностью топлива.
Температура на поверхности реакционного слоя топлива в период его прогрева с последующим зажиганием регистрировалась с помощью тепловизионной камеры 9 Jade J530 SB в диапазоне длин волн 2.5–2.7 мкм. Выбранный оптический фильтр камеры позволял регистрировать значения температур в диапазоне 370–1800 °С в отсутствие внешнего источника излучения с относительной погрешностью измерения не более 5%, которая зависела от скорости съемки (50 кадр/с) и значений времени задержки зажигания образца.
Измерение скорости горения СТТ осуществлялось в бомбе постоянного давления в диапазоне давлений азота 0.5–7.0 МПа. В данном исследовании использовали бронированные по боковой поверхности двумя слоями поливиниловой ленты отвержденные образцы СТТ диаметром 10 мм и высотой 25–30 мм. Образец топлива устанавливали на держатель, который затем помещали в корпус бомбы. Затем в корпус подавали инертный газ (азот) до необходимого давления, контролируемого манометром. Зажигание образца топлива проводилось с помощью нихромовой спирали при подаче электрического тока. Скорость горения СТТ определяли по известной длине образца и времени его сгорания, определяемому методом перегорания проволочек с помощью цифрового осциллографа. Расстояние между проволочками в образце составляло 20–22 мм.
1.3. Энергия активации
При зажигании твердых топлив постоянным во времени лучистым потоком тепла поверхностный слой образца нагревается до температуры Tign 0 как инертное вещество. При последующем увеличении температуры до Tign на поверхности топлива формируется реакционный слой, в котором происходит выделение тепла за счет экзотермических химических реакций разложения топлива, приводящее к резкому увеличению температуры вблизи поверхности образца и появлению пламени [25]. Момент зажигания топлива определяется условием, при котором скорость подвода тепла в результате химических реакций в твердой фазе $\left( {{{Q}_{1}}} \right)$ должна превышать значения скорости отвода тепла в глубь образца $\left( {{{Q}_{2}}} \right){\text{:}}$
К моменту времени появления пламени, tign, над поверхностью топлива существует распределение температуры от Tign 0 до температуры окружающей среды Т0 в прогретом слое образца. Преимущественное выделение тепла вследствие химических реакций в твердой фазе происходит при температурах, близких к значению Tign, т.е. в узком реакционном слое толщиной x1. При зажигании топлива осуществляется превращение вещества c выделением тепла, которое описывается уравнением Аррениуса:
где Q – удельный тепловой эффект реакции, Дж/кг; ρ – плотность топлива, кг/м3; x1 = $ = {{2\lambda RT_{{ign}}^{2}} \mathord{\left/ {\vphantom {{2\lambda RT_{{ign}}^{2}} {Eq}}} \right. \kern-0em} {Eq}}$ – толщина зоны химических реакций, м; z – предэкспонент, 1/с; E – энергия активации, Дж/моль; R – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль · K); λ – коэффициент теплопроводности топлива, Вт/(м ⋅ K); q – плотность лучистого теплового потока, Вт/м2.
Кондуктивный отвод тепла из зоны химических реакций осуществляется в глубь образца топлива (без учета конвективных тепловых потерь в окружающую среду). Его интенсивность определяется значением плотности теплового потока лазерного излучения:
Тогда условие для зажигания топлива примет следующий вид:
(4)
$Q\frac{{2\lambda \rho RT_{{ign}}^{2}}}{{Eq}}z\exp \left( { - \frac{E}{{R{{T}_{{ign}}}}}} \right) = - \lambda \frac{{\partial T}}{{\partial x}} = q.$Для прогретой зоны топлива уравнение теплопроводности в одномерной постановке для твердофазной модели зажигания [26] имеет вид
(5)
$\frac{{dT}}{{dt}} = a\frac{{{{\partial }^{2}}T}}{{\partial {{x}^{2}}}} + \frac{Q}{c}z\exp \left( { - \frac{E}{{R{{T}_{{ign}}}}}} \right),$где а – коэффициент температуропроводности топлива, м2/с; x – координата, м; с – удельная теплоемкость топлива, Дж/(кг ∙ К).
Начальное и граничные условия для уравнения (5) есть
(6)
$\begin{gathered} T(x,0) = {{T}_{0}} = {\text{const}},\,\,\,\,0 \leqslant x < \infty , \\ - \lambda \frac{{dT}}{{dx}} = q = {\text{const}} > 0,\,\,\,\,{\text{ }}x = 0,\,\,\,\,t > 0, \\ \frac{{dT}}{{dx}} \to 0,\,\,\,\,{\text{ }}x \to \infty ,\,\,\,\,t > 0. \\ \end{gathered} $Аналитическое решение краевой задачи (5), (6) относительно времени задержки зажигания tign топлива имеет вид [26]
(7)
${{t}_{{ign}}} = 0.35{{\left( {1 - \frac{{{{T}_{0}}}}{{{{T}_{{ign}}}}}} \right)}^{2}}\frac{{Ec}}{{RQz}}\exp \left( {\frac{E}{{R{{T}_{{ign}}}}}} \right),$или
(8)
$\ln \left\{ {\frac{{{{t}_{{ign}}}}}{{{{{\left( {1 - {{{{T}_{0}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{T}_{0}}} {{{T}_{{ign}}}}}} \right. \kern-0em} {{{T}_{{ign}}}}}} \right)}}^{2}}}}} \right\} = \ln \left( {\frac{{0.35Ec}}{{RQz}}} \right) + \frac{E}{{R{{T}_{{ign}}}}}.$Температура зажигания топлива на поверхности образца топлива определяется из условия равенства скоростей прихода тепла от химических реакций в реакционном объеме и его отвода в глубь холодного образца. Она может быть определена по следующей формуле [26]:
Энергия активации E и произведение теплового эффекта на предэкспонент Qz определяются тангенсом угла наклона ${\text{tg}}\alpha $ линейной зависимости $\ln \left\{ {\frac{{{{t}_{{ign}}}}}{{{{{\left( {1 - {{{{T}_{0}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{T}_{0}}} {{{T}_{{ign}}}}}} \right. \kern-0em} {{{T}_{{ign}}}}}} \right)}}^{2}}}}} \right\}$ от $\frac{1}{{{{T}_{{ign}}}}}$ и ее пересечением с осью ординат при значении температуры Tign 0.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
2.1. Термическое окисление металлов и разложение СТТ
С использованием экспериментальных данных, полученных методами термогравиметрии (ТГ) и дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), рассчитаны значения увеличения массы, скорости окисления и степени превращения (окисленности) [27] порошков металлов и аморфного бора. Результаты расчетов представлены в табл. 2. Процесс окисления микроразмерного порошка алюминия начинается при температуре ~800 °С и сопровождается выделением тепла и незначительным увеличением массы образца за счет образования оксидного слоя Al2O3 на поверхности частиц. Перед началом интенсивного окисления имеет место процесс эндотермического плавления алюминия при 660 °С. Максимальная скорость окисления алюминия наблюдается при температуре ~1000 °С и составляет 0.0023 мг/с.
Таблица 2.
Параметры активности порошков металлических горючих
| Металл | Увеличение массы, % | Степень превращения α, % | Максимальная скорость окисления, vок, мг/с (диапазон температур, °C) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 400–660 °C | 660–1200 °C | 400–1200 °C | 400–660 °C | 660–1200 °C | 400–1200 °C | ||
| Al | 2.2 | 31.3 | 33.5 | 2.5 | 35.7 | 38.2 | 0.0023 (1010 – 1025) |
| B | 47.8 | 101.0 | 148.7 | 21.7 | 46.0 | 67.7 | 0.0096 (655 – 735) |
| AlB2 | 1.3 | 106.6 | 107.9 | 0.8/0.3 (Al/B) |
66.5/21.4 (Al/B) |
67.3/21.6 (Al/B) |
0.0054 (1010 – 1060) |
| AlB12 | 0.6 | 118.3 | 118.9 | 0.1/0.2 (Al/B) |
22.9/44.1 (Al/B) |
23.0/44.3 (Al/B) |
0.0104 (775 – 860) |
Порошки чистого бора и боридов алюминия AlB2, AlB12 имеют более высокие значения максимальных скоростей реакций окисления: 0.0096, 0.0054 и 0.0104 мг/с, соответственно, при относительно низких температурах нагрева печи (см. табл. 2). Это обстоятельство определяет их высокую химическую активность, по сравнению с алюминием, несмотря на достаточно высокие значения температур начала окисления боридов алюминия AlB2 и AlB12, которые составляют ~875 и 750 °С соответственно. Отметим, что максимальная скорость окисления порошков В и AlB12 в 4 раза выше по сравнению с порошком алюминия. С увеличением содержания бора в составе боридов алюминия снижается температура, при которой протекают основные окислительные реакции. В случае чистого бора, согласно ТГ–ДСК-данным, температура начала окисления составила ~560 °С, а максимальная скорость реакций зафиксирована в диапазоне температур 655–735 °С.
Результаты ТГ–ДСК-анализа исследуемых в атмосфере аргона образцов СТТ, содержащих порошки металлов и бора, представлены на рис. 3. Отметим, что образцы СТТ начинают реагировать при температуре ~100–120 °С за счет начала разложения горючего-связующего вещества. При увеличении температуры печи до 210–250 °С скорость химических реакций при разложении образцов СТТ увеличивается и достигает максимальных значений вследствие начала разложения окислителей (ПХА и НА). Все экзо- и эндотермические реакции разложения образцов топлив проходят в диапазоне температур до 400 °С, при этом добавки металлического горючего окисляются при температурах выше 600–700 °С.
Рис. 3.
Данные ТГ- (а) и ДСК-анализов (б) составов СТТ; номера кривых соответствуют номерам образцов из табл. 1.
2.2. Время задержки и температура зажигания СТТ
С использованием установки на основе СО2-лазера получены зависимости времени задержки зажигания составов СТТ от плотности теплового потока излучения, которые представлены на рис. 4.
Рис. 4.
Время задержки зажигания СТТ, tign, в зависимости от плотности q теплового потока излучения. Обозначения те же, что и на рис. 3.
где A, B – константы аппроксимации. Значения констант аппроксимации, а также коэффициента детерминации R2 эксперименальных данных приведены в табл. 3.
Таблица 3.
Значения констант уравнения для tign(q) и коэффициент детерминации
| Номер образца | Образец СТТ | A | B | R2 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Al | 989.9 ∙ 103 | 1.75 ± 0.27 | 0.96 |
| 2 | B | 202.3 ∙ 103 | 1.61 ± 0.15 | 0.98 |
| 3 | AlB2 | 177.6 ∙ 103 | 1.53 ± 0.40 | 0.87 |
| 4 | AlB12 | 739.0 ∙ 103 | 1.83 ± 0.06 | 0.99 |
Полная замена микроразмерного порошка алюминия на порошок аморфного бора в составе топлива приводит к снижению времени задержки зажигания в 2.2–2.8 раза в диапазоне плотности теплового потока q = 90–200 Вт/см2. Применение порошков борида алюминия в составе СТТ позволяет снизить время задержки зажигания в 1.7–2.2 раза по сравнению с составом СТТ, содержащим алюминий, при одинаковых условиях зажигания.
Время задержки зажигания топлив зависит от времени формирования прогретого слоя образцов, температуры начала окисления и скорости окисления используемых порошков металлов, а также скорости реакций разложения АГС, ПХА и НА. Алюминий имеет низкие значения температуры плавления и скорости окисления (0.0023 мг/с), высокую температуру интенсивного окисления (1015 °С), по сравнению с борсодержащими порошками, что приводит к снижению выделения тепла в прогретом слое образца топлива и увеличению времени формирования и толщины прогретого слоя. В случае составов СТТ, содержащих аморфный бор и бориды алюминия, оксидный слой В2О3 на поверхности частиц плавится при низкой температуре: 450 °С, и окисление частиц горючего проходит в диффузионном режиме с выделением тепла. Химические реакции кислорода с бором и бором/алюминием проходят интенсивнее и при более низких температурах, чем с чистым алюминием, при одинаковых условиях зажигания, что приводит к дополнительному увеличению выделения тепла, уменьшению времени формирования прогретого слоя и уменьшению задержки зажигания образца СТТ.
Данные тепловизионной съемки показали, что появление вспышки над поверхностью реакционного слоя СТТ происходит вблизи оси цилиндрического образца, т.е. в локальной области максимальных значений теплового потока (температур) лазерного луча (см. рис. 2б), и затем пламя распространяется по всей торцевой поверхности топлива. Максимальные значения температур поверхности реакционного слоя в момент появления пламени получены для составов СТТ с аморфным бором и боридами алюминия 1260 и 1240 °С (табл. 4), что подтверждает предположение о дополнительном выделении тепла вблизи реакционного слоя топлива в период его прогрева и зажигания. Осредненные по всей площади поверхности цилиндрического образца топлива значения температур в момент появления пламени для всех составов топлив примерно одинаковы и равны ~700 °С.
Таблица 4.
Значения температуры поверхности реакционного слоя образцов СТТ в момент появления пламени при q = 115 Вт/см2
| Номер образца | Образец СТТ | Температура, °С | |
|---|---|---|---|
| максимальная | средняя по площади | ||
| 1 | Al | 1150 | 710 |
| 2 | B | 1260 | 680 |
| 3 | AlB2 | 1240 | 690 |
| 4 | AlB12 | 1240 | 690 |
Анализ полученных в работе [24] термограмм для исследуемых СТТ показал, что в момент появления пламени наблюдается резкий рост температуры на поверхности топлива, что обусловлено дополнительным интенсивным подводом тепла из зоны химических реакций в газовой фазе, в том числе и в результате окисления борсодержащих частиц. Для состава СТТ, содержащего алюминий, период прогрева поверхностного слоя достаточно длительный по сравнению с другими составами топлив, и основная часть подводимого тепла от источника излучения идет на кондуктивный нагрев поверхностного слоя и плавление алюминия. Как отмечалось выше, микроразмерный порошок алюминия интенсивно окисляется при температуре 1015 °С. Соответственно, толщина прогретого слоя образца СТТ с алюминием намного больше по сравнению с другими борсодержащими составами. Таким образом, наблюдается более равномерное распределение температуры по площади поверхности топлива с меньшим значением ее максимума.
С использованием измеренных значений времени задержки зажигания топлив и полученных зависимостей tign(q) рассчитаны значения энергии активации, произведения теплового эффекта реакции и предэкспонента, а также температуры поверхности СТТ в момент появления пламени. Результаты расчета представлены в табл. 5. На основании полученных данных можно сделать вывод о том, что применение порошка диборида алюминия AlB2 в составе рассматриваемых топлив является предпочтительным с точки зрения воспламеняемости топлива.
Таблица 5.
Расчетные значения кинетических параметров и температуры зажигания образцов СТТ
| Номер образца | Образец СТТ | E, кДж/моль | Qz, Вт/г | Tign 0, K | Tign, K при q = 90–200 Вт/см2 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Al | 158.9 | 9.92 · 1013 | 825 | 829–885 |
| 2 | B | 90.2 | 3.31 · 1011 | 602 | 625–681 |
| 3 | AlB2 | 73.6 | 4.24 · 109 | 639 | 665–742 |
| 4 | AlB12 | 223.4 | 6.88 · 1021 | 671 | 680–707 |
2.3. Скорость горения СТТ
В экспериментах в бомбе постоянного давления определены зависимости скорости горения СТТ от давления (рис. 5) в форме
где u – в мм/с, p – в МПа.
Значения констант в аппроксимирующем уравнении, а также коэффициента детерминации R2 приведены в табл. 6. Установлено, что полная замена порошка алюминия на аморфный бор в составе СТТ позволяет увеличить скорость горения образца в 1.9–3.2 раза при изменении давления от 0.5 до 7.0 МПа. При этом показатель степени в законе скорости горения топлива значительно увеличивается с 0.58 до 0.82. При замене алюминия на бориды алюминия AlB2 и AlB12 скорость горения составов СТТ увеличивается в 1.2–1.6 раза в указанном диапазоне давления, однако показатель степени изменяется незначительно.
Таблица 6.
Значения констант уравнения для u(p) и коэффициента детерминации
| Номер образца | Образец СТТ | B | n | R2 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Al | 2.37 ± 0.16 | 0.58 ± 0.04 | 0.99 |
| 2 | B | 5.26 ± 0.12 | 0.82 ± 0.02 | 1.00 |
| 3 | AlB2 | 3.54 ± 0.51 | 0.60 ± 0.12 | 0.94 |
| 4 | AlB12 | 3.69 ± 0.07 | 0.56 ± 0.01 | 1.00 |
Бориды алюминия отличаются малой энергией связи между атомами Al и B (–67 кДж/моль). Поэтому в зоне химических реакций они могут распадаться на Al и B и раздельно вступать в реакции с кислородом. Анализ полученных экспериментальных результатов показал, что алюминий, имеющий высокую температуру горения, может способствовать более эффективному сгоранию частиц бора.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенного экспериментального исследования процессов термического разложения, зажигания и горения составов СТТ на основе двойного окислителя (ПХА и НА) – активного горючего-связующего, содержащих чистый бор и бориды алюминия, определено влияние содержания металлического горючего на значения времени задержки зажигания, температуры поверхности реакционного слоя в момент появления пламени, энергии активации, а также линейной скорости горения образцов топлив.
Анализ методами ТГ и ДСК показал, что порошки аморфного бора и боридов алюминия обладают более высокими параметрами химической активности по сравнению с микроразмерным порошком алюминия при их нагреве в воздухе. Максимальные скорости окисления порошков Al, В, AlB2 и AlB12 составляют 0.0023, 0.0096, 0.0054 и 0.0104 мг/с соответственно. При этом степень превращения порошка алюминия ниже по сравнению с борсодержащими порошками в диапазоне температур 400–1200 °C.
Установлено, что при замене порошка алюминия на аморфный бор и бориды алюминия AlB2 и AlB12 в составе СТТ времена задержки зажигания образцов в диапазоне плотности теплового потока q = 90–200 Вт/см2 значительно снижаются: в 2.2–2.8 и 1.7–2.2 раза, соответственно, а максимальные значения температур на поверхности реакционного слоя топлив в момент появления пламени увеличиваются на ~100 °С.
Состав СТТ, содержащий порошок аморфного бора, имеет наибольшие значения скорости горения и степенной показатель в законе скорости горения n = 0.82. Для данного состава твердого топлива наблюдается увеличение скорости горения в 1.9–3.2 раза, а для составов СТТ с AlB2 и AlB12 – в 1.2–1.6 раза в диапазоне давлений азота 0.5–7.0 МПа по сравнению с СТТ, содержащим алюминий. Составы топлив с Al, AlB2 и AlB12 имеют значения показателя степени в законе скорости горения в диапазоне 0.56–0.60.
Авторы выражают благодарность сотрудникам лаборатории высокоэнергетических систем и новых технологий НИИ ПММ ТГУ за помощь в получении порошков боридов алюминия.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российским фондом фундаментальных исследований в рамках научного проекта № 19-33-90015 и Программами повышения конкурентоспособности Томского политехнического университета и Томского государственного университета.
Список литературы
Энергоемкие горючие для авиационных и ракетных двигателей // Под ред. Яновского Л.С. М.: Физматлит, 2009.
Liang D., Liu J., Zhou Y., Zhou J. // Combust. and Flame. 2017. V. 185. P. 292.
Xizheng Wang X., Wu T., Wang H. et al. // Ibid. 2018. V. 197 P. 127.
Ao W., Yang W., Wang Y. et al. // J. Propul. Power. 2014. V. 30. Issue 3. P. 760.
Ягодников Д.А., Воронецкий А.В., Сарабьев В.И. // Физика горения и взрыва. 2016. Т. 52. № 3. С. 51.
Ао В., Чжоу Цз.-Х., Ян В.-Цз. и др. // Физика горения и взрыва. 2014. Т. 50. № 6. С. 47.
Liang D., Liu J., Chen B., Zhou J., Cen K. // Thermochim. Acta. 2016. V. 638. P. 58.
Ao W., Wang Y. // J. Therm. Anal. Calorim. 2017. V. 129. Issue 3. P. 1865.
Архипов В.А., Бондарчук С.С., Коротких А.Г. // Физика горения и взрыва. 2010. Т. 46. № 5. С. 88.
Маршаков В.Н., Пучков В.М. // Хим. физика. 2014. Т. 33. № 5. С. 62.
Архипов В.А., Кискин А.Б., Зарко В.Е., Коротких А.Г. // Физика горения и взрыва. 2014. Т. 50. № 5. С. 134.
Chintersingh K.-L., Schoenitz M., Dreizin E.L. // Combust. and Flame. 2019. V. 200 P. 286.
Young Gr., Sullivan K., Zachariah M.R., Yu K. // Ibid. 2009. V. 156. P. 322.
Ulas A., Kuo K.K., Gotzmer C. // Ibid. 2001. V. 127. P. 1935.
Hashim S.A., Karmakar Sr., Roy A. // Acta Astronaut. 2019. V. 160. P. 125.
Sandall E.T., Kalman J., Quigley J.N., Munro S., Hedman T.H. // Propul. Power Res. 2017. V. 6. Issue 4. P. 243.
Chaturvedi S., Dave Pr.N. // Arab. J. Chem. 2015. P. 1.
Korotkikh A.G., Glotov O.G., Arkhipov V.A., Zarko V.E., Kiskin A.B. // Combust. and Flame. 2017. V. 178. P. 195.
DeLuca L.T. // Defence Technol. 2018. V. 14. P. 357.
Коротких А.Г., Архипов В.А., Глотов О.Г., Сорокин И.В. // Хим. физика и мезоскопия. 2016. Т. 18. № 2. С. 179.
Guo Y., Zhou X., Zhang W. et al. // Combust. and Flame. 2019. V. 203. P. 230.
Lianga D., Xiaoa R., Liub J., Wang Y. // Aerospace Sci. Technol. 2019. V. 84. P. 1081.
Shaik Adil, Murty B.S. // Thermochim. Acta. 2019. V. 678. P. 1.
Korotkikh A.G., Slyusarsky K.V., Sorokin I.V., Arkhipov V.A. // Combust., Explosion, Shock Waves. 2018. V. 54. Issue 3. P. 350.
Ковальский А.А., Хлевной С.С., Михеев В.Ф. // Физика горения и взрыва. 1967. Т. 3. № 4. С. 528.
Vilyunov V.N., Zarko V.E. Ignition of Solids. Amsterdam: Sci. Publ., Elsevier, 1989.
Gromov A.A., Korotkikh A.G., Il’in A.P. et al. Energetic Nanomaterials: Synthesis, Characterization, and Application. Amsterdam: Elsevier Sci. Publ., 2016.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Химическая физика
Пн.-пт.: 10.00-19.00