Изучение скорости горения высокоэнергетических смесевых твердых топлив
Содержание
Введение
1. Литературный обзор
1.1. Ракетные топлива
1.1.1 Твердые ракетные топлива
1.1.2 Коллоидные топлива
1.1.3 Смесевые топлива
1.1.4 Физические свойства
1.1.5 Механизм горения
1.1.6 Скорость горения топлив
1.1.7 Элементарный состав. Условная химическая формула
2. Методика эксперимента
2.1 Определение процентного состава компонентов топливной композиции по известному α
2.2 Методика изготовления образцов.
2.3 Измерение скорости горения
3. Экспериментальные данные
3.1 Характеристики исследованной партии образцов
Выводы
Список литературы
Введение
Горение взрывчатых веществ используется в практике издавна – со времени изобретения черного пороха. Однако закономерности горения взрывчатых веществ и порохов при постоянном давлении исследуется сравнительно недавно: первые работы в этой области были начаты К. К. Андреевым и А.Ф. Беляевым в 30-х годах нашего столетия и относились к области давлений, не превышающих 100-150 атм.
До сих пор нет достаточной ясности в том, какими факторами определяется зависимость скорости горения баллистических и смесевых порохов от давления, как она зависит от их состава, как она связана соответствующими зависимостями индивидуальных взрывчатых веществ, входящих в их состав и, наконец, как связана скорость горения с химической структурой взрывчатых веществ. В связи с этим изучение процесса горения взрывчатых веществ представляет большой интерес.
Основной задачей настоящей монографии является систематизация и обобщение новых экспериментальных и теоретических данных по влиянию положительных и отрицательных катализаторов на горение индивидуальных взрывчатых веществ различных классов.
Одним из путей повышения энергетических возможностей смесевых топлив является использование в их составе металлов в виде порошков.
Алюминиевый порошок остается одним из главных компонентов твердых топлив. Для мелкодисперсного алюминия обнаружено существенное увеличение скорости горения, что, возможно, связано с полнотой сгорания этих фракций металла на воздухе.
Все изучаемые составы характеризовались постоянным коэффициентом избытка окислителя, равным 0,9.
Помимо горения в работе проведено определение скорости горения.
1. Литературный обзор
1.1 Ракетные топлива
В ракетных двигателях на химическом топливе выделение энергии происходит в результате химической реакции. Энергия может выделяться в результате следующих реакций:
а) реакции окисления- восстановления (окисления), когда энергия выделяется при реакции между окислительными и горючими элементами; топливо состоит в этом случае, по крайней мере, из двух веществ - окислителя и горючего;
б) реакции разложения, когда тепло выделяется в процессе разложения сложного вещества на более простые; топливо в этом случае может состоять только из одного вещества;
в) реакции рекомбинации (соединения), когда тепло выделяется при соединении одноименных атомов или радикалов в молекулы.
Топлива ракетных двигателей могут быть разделены на следующие четыре группы: жидкие топлива раздельной подачи, жидкие унитарные топлива, твердые топлива, топлива смешанного агрегатного состояния.
В случае жидкого топлива раздельной подачи выделение энергии происходит в результате реакции окисления – восстановления. Процесс окисления условно может быть представлен как обмен электронами на внешней электронной оболочке атомов, участвующих в этом процессе. При этом атомы горючих элементов отдают свои электроны, а атомы окислительных элементов приобретают их.
К горючим элементам относятся углерод С, водород Н, бор В, алюминий АI, литий Li и др. Окислительными элементами являются фтор F, кислород О, хлор CI, бром Br. Фтор и кислород значительно превосходят по эффективности другие окислительные элементы.
Окислитель и горючее в общем случае являются сложными соединениями, в состав которых могут входить как окислительные, так и горючие элементы, а также нейтральные.
Горючим является такое вещество, которое независимо от того, содержатся в нем окислительные элементы или нет, для полного окисления своих горючих элементов требует окислителя извне. Так, например, этиловый спирт С2Н5ОН кроме горючих элементов (С и Н), содержит в себе и окислительный элемент – кислород, но его совершенно недостаточно для полного окисления горючих элементов спирта; поэтому этиловый спирт является горючим.
Окислителем является вещество, в котором хотя и могут быть горючие элементы, но окисляющих элементов в нем имеется значительный избыток, так что при полном окислении его собственных горючих элементов, которые могут быть использованы для окисления какого-либо другого горючего. Например, азотная кислота НNО3 или перекись водорода Н2О2 содержат в себе горючий элемент- водород, однако окислительный элемент (кислород) в них имеется в таком количестве, что при полном окислении водорода азотной кислоты или перекиси водорода в них остается избыток кислорода, который можно использовать для окисления какого-либо горючего; поэтому НNО3 и Н2О2 являются окислителями.
Доли окислителя и горючего в топливе определяются величиной, называемой соотношением компонентов. Теоретическим (стехиометрическим) соотношением компонентов æ0 называется такое минимальное количество окислителя, которое необходимо для полного окисления 1кг горючего. Иначе говоря, теоретическое соотношение компонентов, это такое отношение расходов окислителя и горючего, при котором окислитель полностью окисляет горючее, не оставаясь при этом в избытке.
Действительным соотношением компонентов æ называется действительное отношение расходов окислителя и горючего, подаваемых в камеру, которое может отличаться от теоретического.
Обычно æ <æ0.
Отношение α= æ/ æ0 называется коэффициентом избытка окислителя. Коэффициент избытка окислителя, при котором получается максимальная величина удельной тяги, называется оптимальным.
Топлива раздельной подачи могут быть самовоспламеняющимися и несамовоспламеняющимися. К первым относятся такие топлива, воспламенение которых начинается само по себе при контакте окислителя и горючего в условиях, имеющихся в камере при запуске, без какого-либо дополнительного вмешательства. Несамовоспламеняющиеся топлива для первичного воспламенения (при запуске двигателя) требуют средства зажигания.
Смесь окислителя и горючего в общем случае является взрывоопасной.
Унитарным (однокомпонентным) топливом может быть такое индивидуальное вещество или такая заранее приготовленная смесь веществ, которые при определенных условиях выделяют тепло в результате химических реакций разложения или окисления; в последнем случае все необходимые для окисления элементы находятся в самом унитарном топливе.
Твердые ракетные топлива являются, естественно, унитарными, так как содержат в своей массе все вещества, необходимые для протекания химической реакции. Основой твердых ракетных топлив могут быть вещества, способные к экзотермической реакции разложения, или смеси окислителя и горючего. Твердые топлива широко применяются в ракетной технике. Они позволяют иметь простой по конструкции двигатель и высокую готовность к его запуску. Однако известные твердые топлива обеспечивают меньшие значения удельной тяги, чем жидкие.
Топлива смешанного агрегатного состояния состоят из компонентов, находящихся в разных агрегатных состояниях; например, жидко-твердое топливо, в котором один из компонентов является жидким, а другой твердым. В этом случае твердый компонент помещается в камере сгорания, а жидкий в баке и тем или иным способом подается в камеру, где происходит химическая реакция между окислителем и горючим и образование газообразных продуктов сгорания.[1,стр.37-39].
1.1.1 Твердые ракетные топлива
Твердые ракетные топлива можно разделить на две основные группы: коллоидные (двухосновные) и смесевые.
1.1.2 Коллоидные топлива
Основу этих топлив составляет нитроклетчатка (нитроцеллюлоза) и растворитель, на долю которых приходится основная часть топлива (более 90%); поэтому такие топлива называют двухосновными.
Нитроцеллюлоза получается путем обработки азотной кислотой целлюлозы, условная формула которой [С6Н7О2(ОН3)]n. При этом в целлюлозе ряд групп ОН замещается нитратными группами ОNО2. Свойства нитратов целлюлозы зависят от количества групп ОNО2, содержащихся в них, или, что тоже самое, от процентного содержания азота; в нитроцеллюлозе, идущей на изготовление твердых ракетных топлив, оно составляет 12-13%. Нитроцеллюлоза способна к экзотермической реакции разложения; при этом происходит окисление горючих элементов ее кислородом. Нитроцеллюлоза имеет отрицательный кислородный баланс: атомов кислорода недостаточно для полного окисления горючих элементов. Чем выше степень нитрации целлюлозы, т.е. чем выше содержание азота, тем благоприятнее кислородный баланс. Теплота разложения нитроцеллюлозы колеблется в пределах 3000 – 4000кДж/кг.
Нитроцеллюлоза в чистом виде не может быть использована в качестве топлива из-за склонности ее к взрыву. Путем обработки нитроцеллюлозы некоторыми растворителями получают коллоидный раствор - желатиноподобную массу, которой дальнейшей обработкой придают высокую жаропрочность и необходимую форму. В таком виде заряды коллоидных топлив обладают высокой стойкостью к взрыву и способностью к равномерному горению.
В качестве растворителя наиболее часто применяется нитроглицерин. Он имеет более высокую теплоту разложения, чем нитроцеллюлоза, поэтому увеличение процентного содержания нитроглицерина в топливе повышает теплотворную способность топлива, а следовательно, и величину удельного импульса. Это связано и с тем, что нитроглицерин имеет положительный кислородный баланс, и часть горючих элементов нитроцеллюлозы окисляется избыточным кислородом нитроглицерина. Но содержание нитроглицерина в топливах не превышает 43%, так как при дальнейшем увеличении ее доли понижается прочность зарядов и ухудшается их стабильность.