Биметаллические горючие для энергетических материалов
(глава в книге «Инновационные энергетические материалы. Свойства, характеристики горения и применение». Сингапур: Шпрингер, 2020)
Коротких А. Г.*, Глотов О. Г., Сорокин И. В.*, Архипов В. А.**
*) Томский политехнический университет (ТПУ)
**) Томский государственный университет (ТГУ)
Обеспечение заданного уровня скорости горения и требуемых параметров конденсированных продуктов горения смесевых топлив были и остаются актуальными задачами при разработке изделий ракетной техники. В большинстве твердотопливных ракет используется алюминизированное топливо. Возможности обычных порошков алюминия в качестве металлического горючего ограничены, и потому стоит задача «улучшения» тех или иных потребительских характеристик металлического горючего и топлива в целом. Перспективными методами регулирования параметров горения топлива и, в частности, скорости горения, является введение в состав топлива высокодисперсных металлов (в качестве добавки или основного горючего) или\и дополнительных горючих компонентов. Возможности указанных путей модификации параметров горения топлив изучены недостаточно, и соответствующая информация вызывает повышенный интерес. Следует заметить, что вследствие чрезвычайной сложности процесса горения смесевого топлива математическое моделирование развито недостаточно и пока не в силах оказать значимой помощи при проектировании топлива с заданными характеристиками. Поэтому основным источником информации по-прежнему остается эксперимент.
В данной главе книги обобщены результаты, полученные авторами для модельных топлив на основе перхлората аммония (окислитель), бутадиенового каучука (неактивное связующее) и алюминия Алекс (металлическое горючее). Алекс представляет собой наноразмерный порошок, произведённый методом электрического взрыва проволок. В качестве добавок-модификаторов горения использовались ультрадисперсные порошки железа и аморфного бора. Целью работы был поиск практически полезных эффектов и развитие представлений о горении металла в составе топлив. В главе представлены характеристики зажигания топлив с помощью CO2-лазера, результаты определения скорости горения и её зависимости от давления в диапазоне 2 – 8 МПа, данные о термическом разложении топлив (ДТА/ТГ) и о конденсированных продуктах горения. Последние получены методом отбора и включают характеристики как крупных агломератов, так и мелких оксидных частиц. Ниже приведены основные результаты по влиянию железа и бора. Их вводили в рецептуру топлив в количестве 2 % вместо 2 % алюминия.
Исследование зажигания показало, что добавка железа снижает время зажигания в 1.3 – 1.9 раза (воздух, диапазон плотности теплового потока 55 – 220 Вт/см2). Добавка аморфного бора в тех же условиях снижает время зажигания в 1.2 – 1.4 раза.
Добавка железа приводит к 1.3 – 1.4-кратному увеличению скорости горения в диапазоне давлений 2.2 – 7.5 МПа. При введении аморфного бора скорость горения практически не изменилась.
Введение железа приводит к усилению агломерации алюминия, что проявляется в увеличении среднего диаметра D43 частиц-агломератов в 1.2 раза и в увеличении массовой доли агломератов в конденсированных продуктах горения в 1.4 раза. Добавка бора приводит к ещё более значимому усилению агломерации. Средний диаметр D43 агломератов возрастает в 1.6 – 1.7 раза, а их доля в конденсированных продуктах горения в 1.8 – 2.2 раза.
В качестве полезного эффекта отметим снижение размера d30 оксидных частиц при введении железа в 1.2 раза и при введении бора в 1.3 – 1.4 раза.
В целом, бор оказывает более сильное влияние на рассматриваемые характеристики горения, чем алюминий. Вместе с тем, его действие неоднозначно. С одной стороны, бор облегчает воспламенение алюминия и снижает процентное содержание несгоревшего алюминия в агломератах. С другой стороны, более раннее реагирование алюминия в конденсированной фазе способствует удерживанию агломератов на поверхности горения вследствие образования конденсированного оксида в составе агломератов. Это приводит к увеличению размеров и массы агломератов и, в конечном итоге, снижает суммарную полноту сгорания алюминия.
Библиографическая ссылка:
https://doi.org/10.1007/978-981-15-4831-4_7