Исследование физики стационарного и нестационарного горения энергоемких веществ

Исследование физики горения энергоемких веществ основано на комплексе экспериментальных и расчетных методик. Данный набор методик позволяет построить осредненный температурный профиль волны горения изучаемого вещества при вариации давления и начальной температуры, найти параметры зон волны горения, определить дифференциальные коэффициенты, с помощью которых можно построить функцию отклика скорости горения.

Температурная структура волны горения находилась с помощью микротермопарной методики. Как правило, волна горения (или — газовый факел), даже в стационарных внешних условиях, подвергается случайным или трудно прогнозируемым воздействиям окружающей его холодной газовой среды, которая находится в возмущенном состоянии, вследствие взаимодействия факела со стенками камеры сгорания. На структуру волны горения могут влиять также положение термопары в массе вещества, ее форма и размеры, наконец — особенности горения данного вещества. Например, в процессе горения могут образовываться недогоревшие частицы к-фазы макроскопических размеров, способные при ударе по термопаре вызвать ее заметную деформацию. Поэтому, каждый режим горения исследовался несколькими одинаковыми по размерам и форме термопарами с той целью, чтобы все перечисленные выше факторы могли проявиться. По набору температурных фронтов горения строился осредненный температурный профиль. Однин из возможных методов построения осредненного профиля изложен в данной работе.

На основании полученного осредненного температурного фронта волны стационарного горения, по определенным методикам, находились параметры зон горения, анализ которых позволял составить обоснованные представления о макрокинетическом механизме горения изучаемого вещества. К основным параметрам зон можно отнести: скорость послойного горения, температуру пламени, тепловыделение в к-фазе и газовой фазе, теплоподвод из газа в к-фазу, температуру горящей поверхности конденсированного вещества и др. Известные положения нестационарной теории горения давали возможность применить параметры зон стационарного горения для исследования некоторых нестационарных процессов. В частности, параметры зон, полученные при разных стационарных давлениях и начальных температурах, позволяли найти ряд дифференциальных параметров (иликоэффициентов), которые, можно было использовать для анализа устойчивости горения в условиях слабых возмущений давления (или иного внешнего фактора). Кроме того, дифференциальные коэффициенты служили основой для построения функций отклика скорости горения на гармоническое воздействие давления или иного параметра. наличия на ней плеча тонкой плоской термопары. Поэтому потребовалась разработка специальной расчетной методики по определению величины этих поправок, которая представлена в данной работе. Оказалось также, что время зажигания пороха газовым потоком можно представить как функцию произведения ряда расчетных параметров, характеризующих такие нестационарные явления, сопуствующие зажиганию газовым потоком, как: формирование пограничного слоя в канале камеры сгорания, нестационарная теплопередача, релаксация прогретого слоя пороха. В этой же главе рассмотрены некоторые проблемы зажигания каналов длинных пороховых трубок, расположенных в бомбе постоянного давления и в открытой камере сгорания. Предложена модель движения волны зажигания по каналу, а результат исследования зажигания укладки пороховых трубок в камере сгорания представлен в виде приближенной экспериментальной зависимости безразмерного времени зажигания трубок, являющейся функцией плотности заряжания, времени истечения из камеры и некоторых других параметров.

В шестой главе исследованы вопросы эрозионного горения пороха в условиях перменной скорости обдува. В частности, предложен новый вариант модели эрозионного горения Зельдовича — Новожилова, учитывающий различные типы гидродинамики течения в пороховом канале и даны результаты расчета коэффициента эрозии по новому варианту модели. Проводится сопоставление с расчетными и экспериментальными данными. Наиболее удовлетворительное их совпадение наблюдалось в случае неизотермического погранслоя (в исходном варианте модели погранслой принимался изотермическим).

Наконец, в седьмой главе подробно изложены методы определения дифференциальных коэффициентов и построение линейных функций отклика скорости горения на гармоническое возмущение внешнего параметра. Предложена и опробована модель построения линейной функции отклика скорости горения на гармоническое возмущение давления с учетом плавления в к-фазе пороха. К-фаза, в предложенной модели, рассматривалась неоднородной, состоящей из твердой и жидкой областей. Жидкая область ограничивалась поверхностью горения к-фазы и плоскостью плавления твердой части. Коэффициенты теплопроводности областей к-фазы считались различными. Расчеты функций отклика скорости горения с учетом плавления показали, что плавление повышает устойчивость горения пороха в нестационарном режиме.

Даны таблицы дифференциальных параметров порохов и некоторых индивидуальных веществ: октогена, гексогена и GAP. Линейные функции отклика скорости горения, в том числе и с учетом плавления, представлены в виде графиков. Следует отметить, что функция отклика скорости горения описывает «внутреннее» свойство горючего вещества, которое проявляется в определенных условиях горения и является, наряду с параметрами зон стационарного горения, существенной характеристикой пороха.

Параметры зон горения и функция отклика скорости горения на гармоническое внешнее воздействие являются тем важным результатом, который позволяет получить предложенный в работе эксперимекнтально — расчетный метод исследования.

Актуальность работы. В настоящее время появляются все новые виды рецептур гомогенных и смесевых порохов, значительно расширяется ассортимент веществ — добавок. Развиваемый в данной работе набор экспериментально-расчетных методик, позволяет сравнительно быстро и, с точки зрения тепловой теории горения, достаточно полно исследовать стационарный и нестационарный процессы горения новых порохов и индивидуальных веществ. Результаты экспериментально — расчетного метода могут непосредственно использоваться при проектировании реальных технических изделий и служить основой для развития моделий горения разных горючих материалов.

Объекты исследования. Объектами исследования служили, как отмечалось выше, некоторые индивидуальные вещества, а также — гомогенные и смесевые пороха, содержащие перспективные компоненты. Так, исследовались индивидуальные соединения, широко используемые в качестве добавок в различные пороха, а именно: о кто ген, гексоген, Ц-2 и Д-2. Добавки вносятся с целью, прежде всего, повлиять на скорость и температуру горения системы. Изучались также вещества GAP — 3/15, GAP — PU (глицидилазид на полиуретановой основе) и GAP2 (полимер, имеющий более простой состав звена, чем GAP — PU). Первое из перечисленных соединений — жидкость, а остальные твердые структуры. GAP — PU и GAP2 -считаются перспективными связками в СТТ.

Следующим объектом исследования служили некоторые баллиститные пороха с добавками октогена, Ц-2 и Д-2. Причем в рецептуру пороха входили как все добавки сразу, так и по отдельности. В качестве катализированных баллиститных составов использовался порох, содержащий окислы металлов (РЬО, БегОз и др.) или окислы металлов и сажу (РЬО + С, NiO + С и др.).

Еще одним объектом исследования служили смесевые пороха на перспективных окислителях и связках, таких как: гексоген (или октоген) в качестве горючего и GAP2 (связка), гексоген (октоген) и ТГФ (тетрагидрофуран) и др.

Помимо практических объектов исследования (пороха например) использовались и теоретические — расчетные модели. К ним можно отнести модель эрозионного горения и модель построения функции отклика скорости горения пороха на гармоническое воздействие давления или иного внешненего фактора.

Научная новизна. Получен полный набор параметров зон горения ряда перспективных смесевых систем, а также — широко распространенных веществ-добавок. Установлены макрокинетические законы разложения к-фазы, указанных горючих материалов. Показано, что исследованные вещества имеют сходные макрокинетические особенности механизма горения: плоский фронт волны горения, широкие зоны в газовой фазе горения, узкий реакционный слой в к-фазе, а ведущая стадия горения, в обычном стационарном режиме, локализуется в реакционном слое к-фазы и тонком слое газа, расположенном на границе к-фаза — газ. Сформулирован и опробован критерий нарушения послойного горения пористой системы, учитывающий параметр широких зон горения системы в газовой области.

Предложен метод относительных портретов добавок, позволяющий яснее и проще оценить влияние добавок на параметры зон горения пороха.

Создан и получил практическое применение новый вариант эрозионной модели горения Зельдовича — Новожилова, учитывающий разные структуры пограничного слоя в пороховом канале. В новом варианте можно исследовать влияние на величину коэффициента эрозии таких гидродинамических факторов, как: шероховатость стенок канала, неизотермичность потока в его поперечном сечении, вдув массы газа в поток с поверхности горящих стенок порохового канала. Эти факторы допустимо учитывать как раздельно, так и совместно. Создана и опробована модель построения линейной функции отклика скорости горения пороха на гармоническое воздействие давления с учетом плавления в к-фазе. Особенностью модели является представление к-фазы пороха в виде двух областей, одна из которых твердая, а другая — жидкая. Границами жидкой области служат поверхность горения к-фазы и плоскость плавления (граница с твердой частью). Указанные области к-фазы имеют разные коэффициенты теплопроводности. Расчеты по данной модели показали, что учет плавления заметно повышает устойчивость горения пороха в нестационарном режиме. Научная и практическая значимость. Результаты работы, касающиеся параметров зон горения индивидуальных веществ и компонентов СТТ, нашли применение в практических изделиях научно-производственного объединения НИИПМ (г. Пермь), создаваемых по теме «Ясновидец» и «Пищик-ИХФ» и повлияли на разработку перспективных образцов. Результаты исследований представлены в ряде опубликованных отчетов за 2000 и 2003 — 2005 годы. Результаты исследования по параметрам зон горения и эрозионному горению применялись П/О НИИПМ при проектировании пороховых зарядов реальных технических устройств в ходе совместных договорных работ ИХФ и НИИПМ. Материалы исследования представлены в опубликованных отчетах и журнальных статьях за 1981 — 1989 годы.

Исследование горения пороховых трубок, выполненное по договорным работам с НИИИМ в течении 1990 — 1997 годах, также нашло применение в проектировании новых типов пороховых зарядов. По данной теме опубликовано ряд отчетов за 1990 — 1997 годы. Апробация работы. Отдельные результаты работы представлялись на конференциях, семинарах и симпозиумах по горению. В частности, на 1 Всесоюзном симпозиуме по макрокинетике и химической газодинамике (Алма-Ата, 1984 г.), на 4 международном семинаре по структуре пламен (Новосибирск, 1992 г.), на 9 Всесоюзном симпозиуме по горению и взрыву (Суздаль, 1989 г.). Материалы по теме работы представлялись также на международных конференциях в Карлсруе (Германия) в 1999 — 2006 годах. По теме диссертации опубликовано 76 печатных работ. Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в 27 журнальных статьях и сборниках.

Личный вклад автора. Автором экспериментально получены осредненные температурные профили волн горения и параметры зон горения таких веществ как: гексоген, Д-2, Ц-2, GAP -3/15, GAP — PU. Кроме того, им получены осредненные профили волн горения и параметры зон горения баллиститных порохов, содержащих октоген, гексоген, Ц-2 и Д-2, а также, баллиститных порохов с катализаторами: РЬО, Бе20з, РЬО + С, РЬОг + С и др. Тем же экспериментально — расчетным методом автором исследованы и перспективные смесевые составы O/GAP-PU, 0/GAP2, О/ВАМО-ТГФ, О/ВАМО — AMMO, где О — означает октоген. Помимо октогена изучались системы с гексогеном — обозначение Г/GAPPU и т. д. Для всех индивидуальных веществ, гомогенных и смесевых порохов были установлены законы газификации поверхности горения (основной макрокинетический закон горения). Сформулирован для пористых систем (прессованных порошков, смесевых составов) критерий оценки верхней границы по давлению, содержащий параметр широких зон в газе, при котором происходит проникновение горения в поры заряда. Для гомогенных порохов предложена гипотеза нарушения послойного горения, основанная на том, что при весьма высоких давлениях (несколько тысяч атм) толщина прогретого слоя пороха, становится сопоставимой или равной размеру коллоидных чатиц, составляющих гомогенный состав, что приводит к нарушению послойного горения.

Автор проводил экспериментальное исследование зажигание газовым потоком баллиститных порохов М и В, а также — катализированного баллистита АЦ. Развил расчетные методы обработки экспериментальных осциллограмм по зажиганию с целью оценки величин ошибок в термопарном сигнале, связанных с влиянием на величину температуры поверхности пороха присутствия на ней тонкой плоской термопары. Довел до практического использования метод двух термопар, позволяющий учитывать погрешности при измерении температуры газового потока термопарами. Установил возможность представить время зажигания пороха газовым потоком, как функцию ряда параметров, учитывающих некоторые нестационарные явления, сопутствующие скоротечному зажиганию в камере сгорания. Предложил простую модель зажигания длинного порохового канала, которая удовлетворительно объясняет и предсказывает время зажигания длинных пороховых трубок в бомбе постоянного давления и камере сгорания.

Нашел экспериментальную зависимость безразмерного времени зажигания пучка (или укладки) пороховых трубок в открытой камере сгорания в виде функции плотности заряжания, времени истечения из камеры и некоторых коэффициентов, характеризующих поперечное сечение заряда и его минимальную температуру поверхности горения.

С помощью идей и методов теории предельного закона трения, внесены существенные изменения в математическое описание структуры пограничного слоя обдувающего потока. В результате был построен новый вариант модели Зельдовича — Новожилова и проведены расчеты по этому варианту, показавшие, что наиболее приемлимое совпадение расчетных и экспериментальных значений коэффициента эрозии наблюдается в случае обдува поверхности канала неизотермическим в поперечном сечении погранслоем.

Наконец, автором усовершенствованы прямые и косвенные методы получения дифференциальных коэффициентов, разработана модель построения линейной функции отклика скорости горения пороха на гармоническое возмущение давления с учетом плавления в к-фазе пороха. Выносятся на защиту.

— Результаты комплексного исследования стационарного горения некоторых индивидуальных веществ, гомогенных и смесевых порохов и компонентов СТТ. Результаты представлены в виде таблиц параметров зон горения индивидуальных веществ (гексогена, октогена, Ц-2 и Д-2), а также — баллиститных порохов на простой и сложной основе. Кроме того, даны таблицы (портреты) относительной тепловой эффективности каталитических добавок для ряда катализированных баллиститных порохов. Наконец, приводятся таблицы параметров зон горения перспективных связующих (типа GAP) и смесевых систем (0/GAP-PU, Г/GAP-PU и ДР-).

Важными итогами исследования стационарного горения являются: осредненные температурные профили отмеченных выше энергоемких материалов, а также общие закономерности макрокинетического механизма горения всех этих веществ (плоский фронт горения, законы газификации, ведущие зоны горения и т. д.) и методы оценки пределов стабильного горения по давлению для пористых горючих систем.

— Результаты экспериментально-расчетного исследования процесса зажигания баллиститных порохов быстрым газовым потоком. В частности: методики обработки и оценки истинного профиля волны прогрева газовым потоком поверхности пороха до состояния воспламенения, методика двух термопар, позволяющая находить температурные поправки для показаний термопар, измеряющих переменную темпаературу газа. Наконец — представлена полуэмпирическая формула оценки времени зажигания баллиститного пороха газовым потоком.

— Результаты исследования зажигания одиночных пороховых элементов в БПД и зажигание пучка пороховых элементов в открытой камере сгорания. Более конкретно: экспериментальные значения времен зажигания каналов (каналы поджигались с одного торца) длинных пороховых трубок и простая модель движения волны зажигания по длине канала, эмпирическая формула расчета безразмерного времени зажигания пучка пороховых трубок в открытой камере сгорания.

— Результаты изучения эрозионного горения. Наиболее существенный итог исследования: разработка и применение нового варианта модели эрозионного горения Зельдовича-Новожилова. Представлены значения коэффициента эрозии по нововому варианту (в табличной форме) и проведено сопоставление с экспериментальными данными.

— Результаты исследования горения в условиях пульсирующих внешних параметров. Результаты содержат таблицы дифференциальных коэффициентов для некоторых индивидуальных веществ, порохов и компонентов СТТ. Изложены усовершенствованные прямые и непрямые методы определения дифференциальных коэффициентов. Предложена модель построения функции отклика скорости горения пороха на гармоническое воздействие давления с учетом плавления в к-фазе.

Предлогается набор функций отклика скорости горения некоторых индивидуальных веществ с учетом и без учета плавления. Краткое содержание диссертации.

Диссертация состоит из семи глав и не имеет приложений. Изложим кратко содержание глав и полученные результаты. Первая глава.

В ней дано краткое описание экспериментальных установок, применявшихся для изучения как стационарного, так и нестационарного горения. Стационарное горение осуществлялось в закрытой камере, работающей в режиме бомбы постоянного давления (БПД), и в открытой ракетной камере, снабженной сателлитом (т.е. — маленькой камерой), в котором находилась шашка исследуемого состава. Давление в БПД обеспечивалось нагнетанием в нее газообразного азота до величины 10 МПа и более, а в камере с сателлитом давление создавалось в результате горения специальной пороховой трубки из баллиститного пороха с бронированными торцами. Продукты горения трубки вытекали из камеры через подобранное коническое сопло. После набора давления в камере до некоторого уровня, оно, в течение 0.15 -0.3 секунд, практически не менялось. Камера с сателлитом использовалась для изучения стационарного горения в области сравнительно высоких давлений: 20 — 50 МПа. Нестационарные процессы горения, такие как зажигание и эрозия с переменной скоростью обдува, изучались в спецальных модельных камерах сгорания, краткое описание которых дано в первой главе. Зажигание укладки пороховых элементов исследовалось по начальным участкам индикаторных диаграмм давления, полученным в процессе сжигания порохового заряда в открытой камере сгорания. Кроме описания установок, в первой главе кратко изложены методы снаряжения БПД и камер сгорания по исследованию зажигания пороха газовым потоком и эрозионному горению. Помимо описания установок, в первой главе сосредоточено внимание на изложении и обосновании экспериментальных методик, которые входили в экспериментально — расчетный метод исследования.

Во введении отмечалось, что основными результатами экспериментально-расчетного метода (или — структурного анализа) являются параметры зон стационарного горения при широкой вариации внешних параметров (давления и начальной температуры) и нестационарная характеристика скорости горения, называемая функцией отклика скорости горения пороха. Она строилась на основе знания дифференциальных коэффициентов, которые по определенным методикам находились по данным параметров зон стационарного горения. Параметры зон, в свою очередь, искались на основании специальных методов анализа осредненного температурного профиля волны горения пороха. Основой получения температурных профилей волн горения, в данной работе, служила известная микротермопарная методика. Осредненный профиль волны горения стоился по набору экспериментальных температрных профилей одного режима горения, полученных разными термопарами, но имеющими одинаковые размеры и форму.

В первой главе представлены основные положения по теории микротермопарной методики. Дается обоснование применения тонких ленточных термопар, основанное на том экспериментальном факте, что погасшие поверхности, практически всех изученных в работе веществ, имели мелкомасштабную шероховатость. Поэтому, вполне было допустимо считать поверхность горения порохов и индивидуальных веществ, плоскостью (отсюда и плоская форма плеча термопары), а фронт горения описывать одномерными моделями горения. Такой параметр зон, как скорость горения, находился обычно методом записи малого сигнала датчика давления. Поэтому в данной главе имеются сведения об этом методе. Значительные экспериментальные трудности вызывает получение величины температры горящей поверхности пороха. Наиболее, по-видимому, надежным способом ее определения, является метод следящей термопары с визуализацией положения плеча термопары на его погасшей поверхности. Именно метод следящей термопары и описан в первой главе, как основной по определению величины температуры горящей поверхности.

Значительное место в главе I уделено совершенствованию вспомогательных методик. Рассмотрен один из возможных методов построения осредненного профиля волны горения, на основе регрессионного анализа. Развита методика определения скорости горения по записи малого сигнала датчика давления с точки зрения более обоснованного выбора параметров записывающей аппаратуры и оценки погрешностей метода. Изложен способ заделки термопар с помощью врезок, который можно использовать в том случае, когда части системы невозможно соединить в единое целое химическими средствами (например — растворением поверхностей контактирующих частей). Представлена методика заделки термопар в порошковые системы. Исследованы некоторые вопросы прессования кристаллических порошков и предложена модель возможного разрушения ленточной термопары в процессе прессования. Отмечена возможность заделки термопар способом заливки расплава вещества в специальную форму с термопарами. Даны рекомендации и расчетные соотношения по выбору элементов термостатирующих приборов. Развита методика следящей термопары для случая образования каркаса из продуктов разложения на горящей поверхности пороха. Подробности методик, связанных с процессом зажигания горячим газовым потоком и зажиганием трубок, а также — с эрозионным режимом горения, как весьма специфические, описаны отдельно в пятой и шестой главах соответственно. Вторая глава.

Содержит результаты экспериментального и расчетного исследования стационарного горения индивидуальных веществ, таких как: октоген, гексоген, Ц-2, Д-2 и глицидилазидных соединений типа: GAP — 3/15 и GAPPU. Все перчисленные вещества изучались по единой схеме. Как не раз отмечалось выше, она сводилась к получению осредненного профиля волны горения вещества при разных давлениях и начальных температурах, нахождению, по осредненным профилям, параметров зон горения, определению дифференциальных коэффициентов и постороению, с их помощью, функции отклика скорости горения на гармоническое изменение давления. Методы изготовления образцов и способы заделки термопар, перечисленных выше соединений, представлены в главе I.

Во второй главе довольно подробно описаны процедуры получения параметров зон горения. Даны осредненные профили волн горения октогена и гексогена и всех остальных указанных ранее веществ, при вариации давления и начальной температуры. Представлены таблицы параметров зон горения. Имеются сведения о дифференциальных коэффициентах октогена, гексогена и GAP соединений. Более подробные данные по этим коэффициентам даны в седьмой главе.

Исследование погасшей поверхности нитроаминов под микроскопом, позволило установить следующее. Несмотря на крупные размеры исходных частиц (до 300 мкм), соствляющих массу прессованных шашек, поверхность горения нитроаминов (т.е. — октогена и гексогена) представляла собой шероховатую структуру с размерами элементов (или — бугорков) меньше или около толщины прогретого слоя. Поэтому, по крайней мере, как первое вполне обоснованное приближение, поверхность фронта горения принималась плоской, а точнееоднородной реакционной тепловой волной (ОРТ модель). По всей видимости, образование плоского фронта связано с высокой температурой горящей поверхности нитроаминов. Действительно, как показали измерения этой температуры методом следящей термопары, ее величина была не менее 350 — 360 0 С, т. е. — значительно превосходила температуру плавления октогена и гексогена (280 — 201 0 С). Иными словами, на поверхности весьма вероятна возможность появления расплава и «сглаживания» неровностей.

Анализ экспериментально-расчетных данных по параметрам зон горения позволил установить существование особого режима горения нитроаминов в области около атмосферных давлений, характеризущегося отрицательным тепловыделением в к-фазе. Однако уже при давлениях более 0.5 МПа тепловыделение в к-фазе — существенно положительная величина (нормальный режим горения). Отрицательное тепловыделение в к-фазе указывало на то, что ведущая зона горения сосредоточена в газовой области. Тем не менее, механиз горения нитроаминов в особом режиме нельзя было описывать в рамках модели горения Беляева-Зельдовича, поскольку газовая фаза горения этих веществ намного превосходила кондуктивную длину, принятую за определяющий размер в упомянутой модели. Также и в нормальном режиме газовая фаза горения нитроаминов в десятки раз протяженнее кондуктивной длины. В целом, основные черты макрокинетического механизма горения нитроаминов можно представить моделью Мержанова (вариант ОРТ модели), позволяющей установить однозначную зависимость между температурой поверхности горения и скоростью горения, т. е. — найти закон газификации поверхности m (Ts) (m — массовая скорость горения, Tsтемпература поверхности).

Стационарное горение жидкого вещества GAP- 3/15 рассматривалось с позиций ОРТ подхода. Однако анализ его параметров зон горения выявил немонотонный характер зависимости скорости горения от давления. Причем, на основании теории устойчивого горения жидких ВВ Ландау, был установлен турбулентный режим горения GAP — 3/15 в диапазоне 0.1−1 МПа. В области давлений выше 1 МПа горение данного вещества хотя и устойчиво, но происходило с понижением скорости горения с ростом давления. Только после 5 МПа, скорость горения менялась обычным образом (т.е. — росла с увеличением давления), а при давлении свыше 10 МПа горение GAP — 3/15, по теории Ландау, снова становилось неустойчивым (или тербулентным). Попытка объяснения необычного поведения скорости горения жидкого глицидилазида в устойчивой области была основана на анализе закона горения жидких ВВ в турбулентном режиме. Следует подчеркнуть, что температура поверхности GAP — 3/15 находилась по методу излома (или — по книксену). В стабильной области фронт волны горения этого вещества характеризовался протяженными зонами в газовой фазе и довольно значительным тепловыделением в к-фазе.

Скорость горения полимерного глицидилазида на полиуретановой основе GAP-PU менялась в обычном режиме, т. е. — монотонно нарастала по мере роста давления. Основная трудность определения параметров зон горения данного соединения, заключалась в наличии сильно развитого каркаса из продуктов разложения к-фазы на его поверхности горения. Измерения температуры горящей поверхности GAP-PU методом следящей термопары показали, что каркас достаточно прочный и даже при натяжении концов термопары с усилием около 200 грамм, ее плечо оттеснялось каркасом от поверхности. Границу между каркасом и поверхностью можно бало обнаружить, вследствие различия в окраске (каркас — светлочерный, поверхность — светложелтая), а также — удалением каркаса с поверхности. Сама поверхность, имела мелкую шероховатость с размерами бугорков меньшими толщины прогретого слоя. По этой причине механизм горения GAP-PU рассматривался в ОРТ приближении, а точнее — в рамках модели Мержанова.

Записи температуры поверхности GAP-PU методом следящей термопары всегда имели вид следующих друг за другом застывших «волн» с разной амплитудой и длиной. Меньшая амплитуда (или вершина) первой волны соответсвовала (300 — 350) 0 С, а вторая — (600 — 700) 0 С. Причем первая вершина возрастала с давлением (правда — незначительно), то втораяпрактически не зависила от него. Именно величина первой амплитуды принамалась за температуру поверхности, а вторая — за температуру каркаса. Заметим, что температура каркаса бала близка к термодинамической температуре горения GAP-PU.

Стационарное горение вещества-добавки Ц-2 напоминало горение GAP-PU, но каркаса на поверхности практически не образовывалось. Поверхность горения была покрыта мелкой шероховатостью, поэтому, механизм горения Ц-2 строился в одномерном приближении. Температура поверхности горения измерялась методом следящей термопары. Вещество-добавка Д-2, как показали исследования его профилей волн горения и параметров зон, в области давлений 0.5−5 МПа имело двухзонную структуру газовой фазы, состоящую из переходной зоны и довольно узкой зоны догорания. Вследствие низкой температуры плавления, к-фаза представлялась в виде твердой и жидкой областей, разделенных плоскостью плавления.

Для всех пористых систем, таких как: октоген, гексоген, Ц-2 исследовалась верхняя граница устойчивого горения по давлению с использованием критерия, содержащего параметр широких зон.

Выводы по главе II.

Глава посвящена экспериментально — расчетному исследованию стационарного горения ряда индивидуальных веществ и GAP соединений. Основой экспериментальных исследований служила микротермопарная методика. Расчетное исследование горения базировалось на анализе параметров зон горения. Подводя итоги работы можно отметить следующее:

1- Дополнены и уточнены величины параметров зон горения октогена и гексогена при вариации давления и начальной температуры. Установлены параметры зон горения указанных нитроаминов для области повышенных давлений (20.0 — 40.0 Мпа).

2- Анализ параметров зон исследованных нитроаминов позволил выделить особый и нормальный режимы горения. В первом режиме тепловыделение в к-фазе Q < 0, а во второмQ > 0. Во всех режимах наблюдались широкие зоны горения в газе, высокие значения функции скорости тепловыделения у поверхности раздела фаз и зависимость температуры поверхности горения (поверхность раздела фаз) от давления. Отмеченные особенности указывают на существенное отличие реального механизма горения нитроаминов от известной модели Беляева — Зельдовича. Установлено положение ведущей зоны реакции в приповерхностном слое к-фазы и тонком газовом слое, на границе поверхности горения. Для всех нитроаминов найдены законы газификации поверхности горения.

3- Получено выражение (или — критерий) для оценки верхнего предела нормального горения по давлению пористых порохов, содержащее параметр широких зон в газовой фазе. Предложен критерий условной нижней границы невозмущенного горения по давлению.

4- Установлены параметры зон горения при вариации давления жидкого олигомера GAP -3/15. Обнаружено неустойчивое горение этого вещества в области давлений от 0.1 до 1.0 МПа. В интервале от 1.0 до примерно 10.0 МПа горение олигомера происходит в нормальном режиме, но, по-видимому, с существенным изменением степени v в законе горения.

На температурных профилях волны горения GAP — 3/15 не обнаружены заметные по длине участки с почти постоянной температурой, которые обычно связаны с налипанием жидкой пленки на контур П — образной термопары. По-видимому, это обусловлено тем, что горящий слой жидкого олигомера находится при температуре близкой к температуре кипения и пленка быстро разрушается. Анализ параметров зон для области нормальных режимов горения олигомера позволил выделить, как ведущую стадию, узкий к-фазный приповерхностный слой и узкий газовый слой у поверхности, а также — построить закон пиролиза горящей поверхности GAP-3/15.

5- Дополнены и уточнены параметры зон горения перспективного горючего GAP — PU. Для изучения температуры поверхности горения этого полимера, использовалась модифицированная методика следящей термопары (хромель-копеливые прокатанные термопары, натяжка концов — пружиной с усилием до 200 грамм). Эта методика и визуальные наблюдения погасшей поверхности позволили обнаружить на поверхности плотный развитый каркас из продуктов разложения. Термопара на поверхности, как правило, фиксировала два участка с почти постоянной температурой. Первый имел температуру около 300 0 С и относился к собственно поверхности GAP —PU, а второй — к верхнему уровню каркаса (температура около 600 — 700 0 С). Такое заключение следовало из того, что после погасания образца со следящей термопарой, ее плечо всегда находилось на верхнем слое каркаса, или несколько погруженным в него, если усилия натяжки достигали 170 — 200 грамм. Установлена ведущая зона, сосредоточенная в к-фазе и тонком приповерхностном слое газовой фазы GAPPU. Построен закон пиролиза поверхности горения этого полимера, справедливый для всего исследованного диапазона давлений.

6- получены параметры зон горения веществ — добавок Д-2 и Ц-2 при вариации давления и при нормальной начальной температуре.

Вещество Д-2, весьма вероятно, имеет на поверхности горения жидкий слой значительной толщины. На профилях волн горения наблюдаются протяженные участки с почти постоянной температурой. Анализ процесса налипания жидкой пленки на Побразную рамку и оценки давления паров в П — образном объеме, ограниченном пленками жидкости плечом и концами термопары, показали, что высота пленки, увлекаемой термопарой, не может превосходить примерно 100 микрон. Это много меньше реально наблюдаемых длин отмеченных участков. По этой причине был введен специфический параметр, названный переходной зоной. Переходная зона, по-видимому, состоит из газообразных продуктов разложения Д-2 в к-фазе. Параметры зон Д-2 и Ц-2 позволяют предположить наличие узкой ведущей зоны горения в к-фазе и в тонком слое газа на границе раздела фаз. Наибольшее тепловое влияние на процесс горения оказывает к-фаза. Все это дает основание рассматривать основные черты механизма горения этих веществ, в первом приближении, в рамках модели Хайкина — Мержанова. В частности, были построены законы пиролиза горящей поверхности для Д-2 и Ц-2.