4. ВОСПЛАМЕНЕНИЕ И ПОГАСАНИЕ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ

4.1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ

В процессе воспламенения твердого топлива можно выделить две стадии: локальное воспламенение и последующее распространение пламени по поверхности заряда, что приводит к заполнению камеры РДТТ продуктами сгорания и выходу двигателя на стационарный режим.

При теоретическом исследовании локального воспламенения возникает необходимость определить, каким образом некоторый участок топлива переходит из начального «холодного» состояния к стационарному горению. Воспламенение наступает вследствие притока энергии от внешнего источника в твердую фазу. В РДТТ используются три вида источников энергии: термический (посредством радиационного, кондуктивного и/или конвективного теплообмена); химический (например, использование самовоспламеняющихся жидкостей) и механический (например, высокоскоростной удар).

В настоящее время в исследованиях воспламенения в качестве теплового источника для воспламенения ТРТ лучистым нагревом используются лазеры большой мощности (в прошлом применялась электродуговая отражательная печь [161]; кондуктивными источниками служат металлические проволочки, вмонтированные в топливо, нагреваемые полоски из электропроводного материала или горячие частицы и газы (пиротехнические воспламенители); конвективный нагрев обеспечивается продувкой горячих газов над поверхностью топлива (пироген-ный воспламенитель, ударная труба).

При экспериментальном исследовании химического механизма воспламенения над поверхностью топлива пропускают химически активные жидкости или газы с тем, чтобы вызвать гетерогенную реакцию на поверхности, в процессе которой выделяется достаточно тепла для обеспечения самоподдерживающегося горения.

Из механических источников воспламенения для создания горячих очагов используют удар или трение. Ударные волны, возникающие при ударе, могут распространяться внутрь заряда ТРТ и разогревать его.

4.1.1. ПРОЦЕСС ВОСПЛАМЕНЕНИЯ

Воспламенение ТРТ представляет собой сложное явление, включающее совокупность физико-химических процессов (рис. 38). Вначале по одному или нескольким упомянутым механизмам к топливу необходимо подвести энергию. После некоторого периода прогрева часть твердой фазы начинает разлагаться, причем процессы разложения протекают в основном вблизи поверхности ТРТ. Иногда на поверхности топлива появляется расплавленный слой. Вследствие целого ряда процессов, таких, как теплопроводность, поглощение излучения топливной массой, химические реакции под поверхностью и пиролиз на поверхности, происходит газификация этого слоя или прямая сублимация твердой фазы.

Рис. 38. (см. скан) Физические процессы при воспламенении ТРТ [99].

Химические реакции могут протекать в газовой фазе (между газифицированным горючим и воздухом или газифицированным окислителем), на поверхности (гетерогенная реакция) либо под ней. Некоторые реакции — экзотермические, а другие — эндотермические. Для надежного воспламенения ТРТ тепло, выделяемое в химических реакциях, должно превышать тепловые потери. При этом происходит повышение температуры твердой и газовой фаз и, кроме того, часто наблюдается свечение. Наконец, устанавливается стационарный режим, который характеризуется высокими значениями скоростей химических реакций и тепловыделения.

Время, прошедшее от момента подведения энергии к топливу до появления пламени, называют задержкой воспламенения. Оно складывается из трех характерных времен: времени инертного прогрева ТРТ, времени смешения (включающего диффузию и конвекцию) и времени реакции. Отделить друг от друга все названные процессы весьма трудно, и в зависимости от топлива и условий воспламенения каждое из указанных характерных времен может составлять большую часть времени задержки воспламенения.

В обзоре [72] детально рассмотрены результаты экспериментальных исследований воспламенения ТРТ.

4.1.2. ТЕОРИИ И ЭКСПЕРИМЕНТЫ

Можно выделять три типа воспламенения: в газовой фазе, в твердой фазе и гетерогенное [137]. Однако наиболее ценной, по-видимому, была бы теория, учитывающая одновременное протекание реакций в твердой фазе, на поверхности и в газовой фазе, попытка создания которой предпринята в работе [14]. Теории воспламенения в газовой фазе основаны на предположении, что процесс воспламенения определяется реакциями между газифицированными горючим и окислителем, включая и возможные реакции с атмосферным кислородом. Считается, что тепловыделение в газовой фазе способствует ускорению реакций и продвижению процесса воспламенения. Задача состоит в совместном решении уравнений для твердой и газовой фаз. Критерий воспламенения, используемый в таких теориях, зависит от распределения температуры и скоростей реакций в газовой фазе.

В так называемых гетерогенных теориях воспламенения предполагается, что определяющей является реакция между твердым топливом и газообразным окислителем на границе раздела. Критерий воспламенения, используемый в таких теориях, предполагает, как правило, достижение некоторой критической температуры на поверхности ТРТ или критического градиента температуры.

Теории воспламенения в твердой фазе не учитывают тепловыделение и диффузию в газовой фазе. Считается, что повышение температуры в топливе вызывается тепловыделением в реакциях, протекающих в глубине заряда, и/или благодаря нагреву внешними источниками. В критерии воспламенения также требуется достижение критической температуры или некоторого критического градиента температуры.

В обзоре посвященном обсуждаемой проблеме, для описания модели воспламенения используются следующие уравнения: уравнения сохранения энергии в твердой и газовой фазах, неразрывности, уравнения баланса энергии, состава смеси и потока массы на поверхности. Авторы обзора дают характеристику 15 моделей воспламенения в газовой фазе, 8 — гетерогенных и 16 — в твердой фазе; сделаны также критические замечания относительно этих моделей. Назовем имена ученых, внесших важный вклад в изучение проблемы. В США это Саммерфилд, Германе, Вильяме, Райан, и Андерсен, а из их советских коллег наиболее известен Мержанов.

В работе [99] на основе экспериментальных данных и теоретических исследований подытожено также влияние различных факторов на задержку воспламенения. Наиболее важными являются следующие эффекты.

1. Увеличение внешнего теплового потока приводит к уменьшению задержки воспламенения . Установлено, что для стадии инертного подогрева ТРТ при малых потоках [1, 85, 88].

2. С повышением давления величина уменьшается, причем при высоких давлениях зависимость ослабевает [171].

3. Увеличение содержания кислорода в рецептуре ТРТ сокращает .

4. При увеличении энергии активации процесса пиролиза величина возрастает [85, 87].

5. С увеличением отношения плотностей газа и твердой фазы или отношения коэффициентов теплопроводности величина возрастает [71]. С увеличением коэффициента абсорбции газа поглощается больше энергии и уменьшается [18, 19, 85].

6. Повышение скоростей газофазных реакций приводит к уменьшению [73, 74, 85, 87].

7. С повышением начальной температуры величина уменьшается

8. Увеличение размеров частиц окислителя приводит к увеличению [101].

9. Повышение скорости газа приводит к уменьшению [86,87].

10. Высокая скорость или температура налетающих частиц приводит к сокращению [60, 97].

11. Неровная поверхность облегчает воспламенение [88].

4.1.3. ВЛИЯНИЕ КАТАЛИЗАТОРОВ

Исследовалось влияние катализаторов на воспламенение и горение твердого топлива на основе ПХА [94]. Металлические катализаторы, такие, как повышают порог горения ПХА по давлению, тогда как разлагающиеся соли аммония (такие, как ингибируют горение ПХА. Каталитическое действие солей металлов на связующее, как правило, сводится к ускорению окисления Что касается твердых топлив, то скорость их горения возрастает при добавлении в рецептуру производных ферроцена, хромата меди и других соединений переходных металлов. Существуют разные точки зрения на механизм каталитического действия этих присадок, поскольку катализаторы могут оказывать влияние на реакции в газовой фазе, на подповерхностные реакции в твердой фазе и на реакции на поверхности как по отдельности, так и одновременно. Известно, что эффективность катализатора меняется в зависимости от его типа, концентрации, размера его частиц и давления.