Уточнение зонной структуры факела пламени борсодержащей

Óòî÷íåíèå çîííîé ñòðóêòóðû ôàêåëà ïëàìåíè
áîðñîäåðæàùåé ñìåñåâîé ñèñòåìû
Òðîôèìåíêî Ì.Þ.
Îäåññêèé ãîñóíèâåðñèòåò èì. È.È. Ìå÷íèêîâà
 ïîñëåäíåå âðåìÿ âñå áîëüøåå âíèìàíèå èññëåäîâàòåëåé ïðèâëåêàåò êàê
ãîðåíèå ÷èñòîãî áîðà, òàê è êîìïîçèöèé, â êîòîðûå îíè âõîäÿò êàê
ñîñòàâëÿþùàÿ ÷àñòü [1,2]. Öåëüþ íàñòîÿùåé ðàáîòû áûëî óòî÷íåíèå
íåêîòîðûõ îñîáåííîñòåé ãîðåíèÿ áîðñîäåðæàùèõ òâåðäûõ ñìåñåâûõ ñèñòåì
(ÒÑÑ) íà îñíîâå ïåðõëîðàòà àììîíèÿ (ÏÕÀ) îïòè÷åñêèìè ìåòîäàìè.
Ýêñïåðèìåíò ïðîâîäèëñÿ ïî ìåòîäèêå, îïèñàííîé â [3]. Â óñòàíîâêå
ïîñòîÿííîãî äàâëåíèÿ (ÓÏÄ) îïòè÷åñêèì ïèðîìåòðîì îäíîâðåìåííî íà 4-õ
äëèíàõ âîëí ðåãèñòðèðîâàëîñü èçëó÷åíèå ñ ïëîùàäêè 2õ0,3 ìì2 ôàêåëà
ïëàìåíè ïðè òîðöåâîì ãîðåíèè îáðàçöà ÒÑÑ äèàìåòðîì 20 ìì è âûñîòîé 20
ìì.  íà÷àëüíûé ìîìåíò âðåìåíè â ïîëå çðåíèÿ ïèðîìåòðà ïîïàäàåò ôðîíò
ãîðåíèÿ - ïëîñêàÿ ïîâåðõíîñòü îáðàçöà. Ïî ìåðå ãîðåíèÿ ïðèáîð ôèêñèðóåò
èçëó÷åíèå èç âñå áîëåå óäàëåííûõ îò ôðîíòà ãîðåíèÿ ó÷àñòêîâ ôàêåëà. Òàêèì
îáðàçîì ôèêñèðóåòñÿ ðàñïðåäåëåíèå èçëó÷åíèÿ âäîëü ôàêåëà ïëàìåíè.
Èçìåðåíèÿ âåëèñü ïî ìåòîäó çàìåùåíèÿ èññëåäóåìîãî ïëàìåíè ýòàëîííûì
èñòî÷íèêîì - òåìïåðàòóðíîé ëàìïîé ÑÈ 10-300.
Àâòîðû [2] îòìå÷àþò, ÷òî çíà÷èòåëüíàÿ ÷àñòü ñïîðàäè÷åñêè
âûáðàñûâàåìîãî â ôàêåë ìàòåðèàëà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé îòíîñèòåëüíî áîëüøèå
êóñêè è ñåãìåíòû èññëåäóåìîãî îáðàçöà. Îäíîâðåìåííàÿ ðåãèñòðàöèÿ
èçëó÷åíèÿ âñåãî ôàêåëà è åãî ëîêàëüíûõ îáëàñòåé [4] ïîçâîëÿåò ïîäòâåðäèòü
ïðèñóòñòâèå â èññëåäóåìûõ ïëàìåíàõ ÷àñòèö èñõîäíîãî îáðàçöà ñ äîáàâêàìè
áîðà ïðàêòè÷åñêè âäîëü âñåãî ôàêåëà.
Ñïåêòð èçëó÷åíèÿ ÒÑÑ, êàê ïðàâèëî, íîñèò êîíòèíóàëüíûé õàðàêòåð.
Ïðèñóòñòâèå ëèíèé èëè ïîëîñ, ñâÿçàíî ñ ïðîòåêàíèåì õàðàêòåðíûõ õèìè÷åñêèõ
ðåàêöèé è ïî âåëè÷èíå è ðàñïðåäåëåíèþ ñîîòâåòñòâóþùèõ ÿðêîñòíûõ
òåìïåðàòóð ìîæíî âûÿâèòü îñîáåííîñòè ãîðåíèÿ. Ó èñõîäíîé ÒÑÑ ñïëîøíîé
ñïåêòð èçëó÷åíèÿ íà ôîíå êîòîðîãî ïðèñóòñòâóþò äîâîëüíî øèðîêèå ïîëîñû,
ñîîòâåòñòâóþùèå îêèñëàì áîðà [5].
Ïðåäñòàâëåííàÿ íà ðèñ.1 öâåòîâàÿ òåìïåðàòóðà èçìåðÿëàñü äëÿ òî÷åê èç
êîíòèíóàëüíîãî ó÷àñòêà ñïåêòðà, à ÿðêîñòíàÿ èç êðàÿ ïîëîñû èçëó÷åíèÿ
îêèñëîâ áîðà. Ñîâìåñòíîå ðàññìîòðåíèå ýòèõ òåìïåðàòóð âäîëü ôàêåëà, äàåò
âîçìîæíîñòü âûÿñíèòü ðîëü áîðà â ïðîöåññå ãîðåíèÿ.
Ïðè ãîðåíèè ÒÑÑ íà îñíîâå ÏÕÀ àâòîðû [6,7,8] îáîñíîâûâàþò
ñóùåñòâîâàíèå îäíîâðåìåííî äâóõ êîíêóðèðóþùèõ ïëàìåí.
Ýêñïåðèìåíòàëüíî äâóõçîííîå ðàñïðåäåëåíèå òåìïåðàòóð è èçìåíåíèå ôîðìû
ðàñïðåäåëåíèÿ ñ èçìåíåíèåì äàâëåíèÿ íàáëþäàëîñü â ðàáîòå [5]. Ïðè ýòîì â
ïåðâîé, áëèæíåé ê ôðîíòó ãîðåíèÿ çîíå, ïðîäóêòû ïåðâè÷íîãî ðàçëîæåíèÿ
79
ÏÕÀ ðåàãèðóþò ñ ïðîäóêòàìè ïèðîëèçà ãîðþ÷åãî-ñâÿçêè. Îïðåäåëÿþùèì
ïðîöåññîì â ýòîé çîíå ÿâëÿåòñÿ äèôôóçèÿ ðåàãåíòîâ.
3300
Ò, Ê
3100
2900
2700
2500
2300
2100
1900
1700
0
5
10
15
L, ìì
Ðèñ.1. Ðàñïðåäåëåíèå òåìïåðàòóð âäîëü ôàêåëà ïëàìåíè ÒÑÑ. Ð=4 ÌÏà, 1 - öâåòîâàÿ
òåìïåðàòóðà (λ1=1,05 ìêì, λ2=1,7 ìêì), 2 - ÿðêîñòíàÿ òåìïåðàòóðà (λ=0,578 ìêì)
Âòîðàÿ çîíà îáóñëîâëåíà ãîðåíèåì ïðåäâàðèòåëüíî ïðèãîòîâëåííîé ñìåñè
ïðîäóêòîâ ðàçëîæåíèÿ ÏÕÀ è ïðîäóêòîâ ïèðîëèçà ãîðþ÷åãî-ñâÿçêè.
Îïðåäåëÿþùèé ïðîöåññ - êèíåòèêà ðåàêöèé.
Íåâîçìîæíîñòü ïîëó÷åíèÿ îäíîðîäíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ èñõîäíûõ
ðåàãåíòîâ ïî îáüåìó îáðàçöà, â ñëó÷àå ñëîæíîãî ñòðîåíèÿ ÒÑÑ ñ äîáàâêàìè
áîðà, ìîæåò ïðèâîäèòü ê íàðóøåíèþ ñòåõèîìåòðèè â åãî ëîêàëüíûõ îáüåìàõ.
Ïîëó÷åííûå ðàñïðåäåëåíèÿ òåìïåðàòóð ïðè Ð=4ÌÏà, óêàçûâàþò íà
ñóùåñòâîâàíèå â ôàêåëå ïëàìåíè äâóõ íåçàâèñèìûõ àíñàìáëåé èçëó÷àþùèõ ÷àñòèö,
÷òî ñâÿçàíî ñ äâóõñòàäèéíîñòüþ ãîðåíèÿ áîðà. Ïðè÷åì èçìåíåíèÿ öâåòîâîé
òåìïåðàòóðû ïîâòîðÿåò èçìåíåíèÿ ÿðêîñòíîé òåìïåðàòóðû âäîëü ôàêåëà.
Ïðè ýòîì äëÿ ïåðâîé ñòàäèè ëèìèòèðóþùèì ïðîöåññîì ÿâëÿåòñÿ äèôôóçèÿ
îêèñëèòåëÿ ÷åðåç îêèñíóþ ïëåíêó ÷àñòèö áîðà (á), à äëÿ âòîðîé ñêîðîñòüþ
îêèñëåíèÿ íà ïîâåðõíîñòè (à).
 ôàêåëå ñóùåñòâóþò îäíîâðåìåííî äâà àíñàìáëÿ ÷àñòèö, îäèí èç êîòîðûõ
âêëþ÷àåò ÷àñòèöû ñòåõèîìåòðè÷åñêîãî ñîñòàâà ñ äîáàâêîé áîðà, èõ òåïëîâîé
áàëàíñ îáåñïå÷èâàåò óñëîâèÿ äëÿ îñóùåñòâëåíèÿ ïåðåõîäà îò ðåæèìà ãîðåíèÿ
áîðà á ê ðåæèìó à. Âî âòîðîì àíñàìáëå, î÷åâèäíî, íàðóøåíà ñòåõèîìåòðèÿ (
ìåæäó îêèñëèòåëåì è ãîðþ÷èì ) ëèáî êîíöåíòðàöèÿ áîðà â ÷àñòèöå ñëèøêîì
âåëèêà, ÷òî îáóñëàâëèâàåò íåâîçìîæíîñòü ïåðåõîäà ê ðåæèìó ãîðåíèÿ à áîðà.
Ïðè óâåëè÷åíèè äàâëåíèÿ çîíû îêàçûâàþòñÿ ðàñïîëîæåíû áëèæå ê
ïëîñêîñòè ãîðåíèÿ îáðàçöà, òåïëîâîé ïîòîê ê ÷àñòèöàì áîðà áîëüøå, è,
ñëåäîâàòåëüíî, ïåðåõîä êî âòîðîé ñòàäèè ëåã÷å (ðèñ.2).
Òàêèì îáðàçîì, ýôôåêòèâíîå èñïîëüçîâàíèå áîðà â ÒÑÑ âîçìîæíî â ñëó÷àå
åãî àêòèâàöèè è ïåðåõîäà êî âòîðîé ñòàäèè ãîðåíèÿ. Ïðîöåññ ýòîò îïðåäåëÿåòñÿ
êàê âíåøíèìè (îáäóâ, äàâëåíèå, áðîíèðîâêà...) òàê è âíóòðåííèìè (ðåöåïòóðà
è òåõíîëîãèÿ èçãîòîâëåíèÿ ÒÑÑ) ïðè÷èíàìè è çàâèñèò êàê îò âðåìåíè
80
Ò, Ê
ïðåáûâàíèÿ ÷àñòèöû â ôàêåëå, òàê è îò ñîñòàâà (ñòåïåíè îòêëîíåíèÿ îò
ñòåõèîìåòðèè) â ëîêàëüíîì îáüåìå îáðàçöà. Ðàññ÷èòàòü òàêèå ïðîöåññû áûâàåò
ñëîæíî è âñå áîëüøåå âíèìàíèå óäåëÿåòñÿ ýêñïåðèìåíòàëüíûì ìåòîäàì
èññëåäîâàíèÿ ïðîöåññîâ ãîðåíèÿ.
3700
3500
3300
3100
2900
2700
2500
2300
2100
1900
1700
0
2
4
6
8
10
12
L, ìì
Ðèñ.2. Ðàñïðåäåëåíèå òåìïåðàòóð âäîëü ôàêåëà ïëàìåíè ÒÑÑ. Ð=6 ÌÏà, 1 - öâåòîâàÿ
òåìïåðàòóðà (λ1=1,05 ìêì, λ2=1,7 ìêì), 2 - ÿðêîñòíàÿ òåìïåðàòóðà (λ=0,578 ìêì)
Ëèòåðàòóðà
1. Êëÿ÷êî Ë.À., Ïîëèùóê Ä.È., Çîëîòêî À.Í. Âîñïëàìåíåíèå è ãîðåíèå áîðà
â êèñëîðîäñîäåðæàùèõ ñðåäàõ. Ãîðåíèå è âçðûâ: Ìàòåðèàëû IV Âñåñîþçíîãî
ñèìïîçèóìà ïî ãîðåíèþ è âçðûâó. Ì.: Íàóêà, 1977. Ñ. 314-329.
2. Ãàíü À., Íåòöåð Ä.Ó. Èçó÷åíèå ãîðåíèÿ ìåòàëëèçèðîâàííûõ ãîðþ÷èõ äëÿ
òâåðäîòîïëèâíûõ ïðÿìîòî÷íî-âîçäóøíûõ ðåàêòèâíûõ äâèãàòåëåé.
Àýðîêîñìè÷åñêàÿ òåõíèêà. 1987. N4. Ñ. 123-128.
3. Òðîôèìåíêî Ì.Þ. Èññëåäîâàíèå ãîðåíèÿ òâåðäûõ ñìåñåâûõ ñèñòåì îïòè÷åñêèìè
ìåòîäàìè. Òðóäû 21-ãî ìåæäóíàðîäíîãî ïèðîòåõíè÷åñêîãî ñåìèíàðà 11-15 ñåíòÿáðÿ
1995 ã. Ìîñêâà, Ðîññèÿ, 1995. C. 884-899.
4. Òðîôèìåíêî Ì.Þ. Îöåíêà òåìïåðàòóðû ïëàìåíè ñìåñåâîé ñèñòåìû ïî ëîêàëüíûì
ôëóêòóàöèÿì ÿðêîñòè â ôàêåëå. Ôèçèêà àýðîäèñïåðñíûõ ñèñòåì. Âûïóñê 35. Îäåññà
1996 ã. ñ. 38-45.
5. Òðîôèìåíêî Ì.Þ. Èññëåäîâàíèå ìåõàíèçìà ãîðåíèÿ áîðñîäåðæàùèõ ñìåñåâûõ
ñèñòåì. Ôèçèêà àýðîäèñïåðñíûõ ñèñòåì. Âûïóñê 35. Îäåññà 1996 ã. C. 67-72.
6.Summerfield M., et al., «The Burning Mechanism of Ammonium Perhlorate Propellants», ARS Progress in Astronautics and Rocketry Vol.1: Solid Propellant Rocket Research, Academic Press, New York 1960. P.141-182.
6. Hermance C.E. «A Detailed Model of the Combustion of Composite Solid Propellants, Proceedings of the ICRPG/AIAA 2nd Solid Propulsion Conference, Anaheim, Calif., June 6-8,
1967. P.89-103.
7. Áåêñòåä Ì.Â., Äåðð Ð.Ë., Ïðàéñ Å.Â. Ìîäåëü ãîðåíèÿ ñìåñåâîãî ÒÐÒ, áàçèðóþùàÿñÿ
íà íåñêîëüêèõ òèïàõ ïëàìåíè. ÐÒÊ. T.8, N12, äåêàáðü 1970. C.107-117.
81