Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2019 номер 5

Выполнен кинетический анализ химической модели окислительного превращения метана, охватывающий все возможные элементарные реакции, которые могут иметь место в этом сложном радикально-цепном процессе. Установлено, что модель полностью отражает кинетические особенности цепных вырожденно-разветвленных реакций. Выявлены ключевые стадии процесса, ответственные за образование основных продуктов реакции и развитие процесса в целом. Определяющую роль в этих стадиях играют нелинейные реакции свободных пероксидных радикалов. Результаты кинетического анализа модели подтверждают ранее полученные прямые экспериментальные данные по свободным радикалам и их кинетическому поведению в процессе окисления метана.

Определены задержки самовоспламенения в воздухе стехиометрических бинарных, тройных и многокомпонентных смесей метана с добавкой до 10 % нормальных алканов С₂-С₆ при температурах 523-1000 К и давлении 1 атм. Установлено, что добавки всех алканов С₂-С₆ уже на уровне 1 % в два-три раза снижают задержку воспламенения метана. А при добавке 10 % задержка воспламенения смеси практически становится равной задержке воспламенения самого добавляемого алкана. В бинарных смесях с метаном добавки этана оказывают, по крайней мере, не меньшее промотирующее влияние, чем добавки пропана и бутана. В тройных и более сложных смесях задержка самовоспламенения определяется общей суммой добавляемых алканов и в пределах ошибки определения практически не зависит от их конкретного соотношения.

Исследовано горение аммониевой, гидразиновой, гидроксиламмониевой, этилендиаминовой, гуанидиновой, аминогуанидиновой, диаминогуанидиновой и триаминогуанидиновой солей 5,5'-азотетразола. Определены зависимости скорости горения от давления и распределение температур в волне горения. Показано, что горение солей подчиняется модели с ведущей реакцией в конденсированной фазе. Температура поверхности при горении солей 5,5'-азотетразола контролируется диссоциативным процессом испарения. На основании параметров горения и установленного механизма горения определена кинетика ведущей реакции горения солей 5,5'-азотетразола, которая является реакцией разложения. Показана неоднозначность влияния силы основания на процесс горения: с одной стороны, увеличение силы основания снижает скорость разложения вещества за счет подавления диссоциации соли, а с другой - повышает температуру поверхности, при которой протекает реакция разложения.

Энергетические материалы со сбалансированным сочетанием детонационных свойств и чувствительности являются долговременной целью разработки материалов с высокой плотностью энергии (HEDM). Проведены вычисления в рамках теории функционала плотности для характеризации соотношений между структурой и свойствами четырех связанных производных 1,2,4-оксадиазола/1,2,4-оксадиазола и 1,2,4-оксадиазола/1,3,4-оксадиазола. Показано, что все эти соединения обладают хорошим кислородным балансом, положительной энергией образования, высокой плотностью кристаллов, хорошим детонационным поведением и приемлемой чувствительностью к воздействию. В частности, первое из исследованных соединений характеризуется наилучшим соотношением между детонационным поведением и чувствительностью, причем детонационные свойства этого соединения превосходят таковые гексогена, а его чувствительность к удару ниже, чем у октогена. Принимая во внимание эти исключительные свойства, можно ожидать, что все эти расчетные соединения являются кандидатами в HEDM с низкой чувствительностью.

Метод зондового отбора газовых проб активно используется для исследования процессов высокотемпературного окисления. Такая методика позволяет напрямую получать информацию о химическом составе реакционного объема, однако зонд неизбежно вносит тепловые и газодинамические возмущения в систему. В работе были измерены профили температуры поверхности кварцевого зонда в пламени смеси CH₄/O₂/Ar в диапазоне давления 1÷5 атм. Измерения проводились бесконтактным методом при помощи тепловизора, который калибровался по результатам термопарных измерений с учетом экранирования пламенем. Полученные данные могут быть использованы в качестве граничных условий при численном моделировании процесса пробоотбора, что позволит значительно повысить точность оценки погрешностей при использовании зондовых методов.

Проведено исследование влияния механоактивации углей на процесс воспламенения и термоокислительной деструкции с использованием двух независимых методик: термогравиметрического анализа и воспламенения пылевзвеси в вертикальной трубчатой печи. Установлено снижение температуры воспламенения механоактивированных углей, а также влияние эффекта механоактивации на дальнейший процесс термоокислительной деструкции.

Проведено экспериментальное исследование амплитудных (с частотой до 50 кГц) и интегральных характеристик собственного магнитного поля высокотемпературных продуктов сгорания углеводородного горючего, истекающих из сопла модельного жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) с имитацией разгара камеры сгорания при впрыске частиц алюминиево-магниевого сплава (к-фазы) в камеру сгорания. Определена зависимость амплитуды напряженности магнитного поля, генерируемой высокотемпературными (до 3500 К) продуктами сгорания, от режимов работы ЖРД и наличия в потоке частиц к-фазы. Зарегистрировано опережающее на ~0.2 с увеличение амплитуды напряженности магнитного поля на 20 % при прогаре ЖРД относительно начала падения давления в камере сгорания. Проведены оценки суммарного объемного электрического заряда, генерируемого потоком продуктов сгорания с к-фазой.

На основе законов механики реагирующих сред представлена физико-математическая постановка задачи о зажигании полога леса, приведены результаты численных расчетов времени и радиуса зажигания лесного массива при воздействии на него источника теплового излучения - огненного шара, возникающего в результате взрыва углеводородов. Полог леса (совокупность крон деревьев) рассматривается как однородная двухтемпературная пористая реагирующая среда. Описаны изменения температур и концентраций на верхней границе полога леса от начала его нагрева до момента зажигания.

Методами численного моделирования исследуется ячеистая детонация в монодисперсных взвесях субмикронных и наноразмерных частиц алюминия. Используются подходы механики гетерогенных сред. В процессах межфазного взаимодействия учитывается переход от континуального режима обтекания частиц к свободномолекулярному. Описание горения частиц проводится в рамках развитой ранее полуэмпирической модели. Представлены результаты расчетов двумерных течений в плоском канале для взвесей частиц алюминия дисперсностью от 1 мкм до 100 нм. Установлено изменение характера ячеистых структур от регулярных до нерегулярных при уменьшении размера частиц. Также отмечаются рост пиковых давлений и укрупнение детонационной ячейки, что связывается с увеличением энергии активации приведенной кинетики, обусловленным переходом к кинетическому режиму горения частиц алюминия.

В проточной кольцевой цилиндрической камере диаметром 503 мм реализованы и исследованы режимы непрерывной детонации гетерогенных смесей авиационный керосин - воздух с добавками водорода или синтез-газа. При варьировании расходов воздуха, жидкого керосина, водорода и их соотношения получены режимы непрерывной спиновой детонации в следующих диапазонах: число поперечных детонационных волн 1-5, их скорость 1.15-1.67 км/с и частота вращения 0.73-4.86 кГц. Для синтез-газа состава СО + 3Н₂ зарегистрированы режимы с двумя встречными поперечными волнами, имеющими среднюю скорость вращения 0.66-1.47 км/с и частоту 0.85-1.87 кГц. Применение в системе подачи горючего способа барботирования жидкого керосина газообразным горючим (водородом или синтез-газом) позволило уменьшить массовую долю газа в двухфазном горючем до 8.4 % для водорода и до 47 % для синтез-газа состава СО + 3Н₂. Показано, что минимальное содержание синтез-газа в керосине, при котором наблюдается детонационный режим, определяется количеством водорода. По измеренным на выходе из камеры сгорания давлениям торможения определены удельные импульсы при непрерывной детонации в зависимости от состава двухфазного горючего. Максимальное значение удельного импульса около 4000 с получено при массовой доле водорода в двухфазном горючем 42 %. Приведены оценки минимального диаметра кольцевой детонационной камеры сгорания в зависимости от удельного расхода гетерогенной смеси.

Управляемая ракета с инфракрасным (ИК) наведением в 90 % случаев поражает самолет. Тепловые ловушки, изготавливаемые из специализированных составов на основе магния/тефлона/витона (МТВ), дают тепловую сигнатуру, мешающую ИК-системам самонаведения управляемых ракет. Проведено измерение ИК-сигнатуры МТВ-ловушки, имитирующей сопло реактивного двигателя. Отличительной чертой ИК-сигнатуры реактивного двигателя являются два характерных пика - в α-полосе (диапазон длин волн 2-3 мкм) и β-полосе (3-5 мкм), амплитуда которых коррелирует с излучением черного тела при температуре 690 °C. Тепловая МТВ-ловушка, изготовленная из состава, включающего в себя 65 % Mg, обеспечивала увеличение средней интенсивности α- и β-полос соответственно в 21 и 4 раза по сравнению с интенсивностью этих полос для реактивного двигателя. Количественная оценка излучающих атомных групп в пламени горения проводилась с использованием термодинамического кода ICT. Для разработанной рецептуры МТВ-ловушек отношение интенсивностей α- и β-полос составило 0.96, что сопоставимо со значением для самолета 0.7.

Представлены экспериментальные данные о параметрах воздушной ударной волны при инициировании светочувствительного состава ВС-2 излучением лазерного диода. Для регистрации распространения фронта воздушной ударной волны использовался теневой фоновый метод. Визуализация фронта воздушной ударной волны проводилась с применением кросскорреляционной обработки. Получены эмпирические зависимости, характеризующие распространение фронта воздушной ударной волны, образованной от инициирования светочувствительного состава произвольной массы. Экспериментально подтверждена возможность инициирования светочувствительного состава ВС-2 с помощью электровоспламенителя ЭВ-15.

Рентгенографическим методом исследован процесс распространения детонации в полукольцевых зарядах из пластифицированного ТАТБ со стальной оболочкой внутри при инициировании нормальной детонации по линии на наружной поверхности заряда. Определена форма фронта детонационной волны в различные моменты времени. Зафиксировано влияние на форму фронта слоя пластического взрывчатого вещества на основе гексогена, расположенного на поверхности основного заряда и имеющего скорость детонации на ~10 % выше, чем у ТАТБ. Показано, что положение и форма фронта детонационной волны в заряде ТАТБ цилиндрической формы не описываются законами геометрической оптики (принцип Гюйгенса) из-за особенностей инициирования детонации на начальном участке и наличия стальной оболочки.

На основе уравнения электросопротивления Блоха - Грюнайзена и уравнения состояния типа Ми - Грюнайзена рассматривается простая феноменологическая модель электросопротивления металла при больших давлениях и температурах. Сравнением предсказаний модели с экспериментальными данными по изотермическому сжатию и изобарическому нагреву найдены два свободных параметра модели для меди. Из экспериментов по измерению электросопротивления фольговых образцов определена зависимость удельного электросопротивления меди от ударного давления в диапазоне до 20 ГПа. Сравнение экспериментальных ударно-волновых результатов со сформулированной моделью выявило различие в величине удельного электросопротивления. Предложено связать наблюдаемое расхождение между моделью и экспериментом с неравновесностью физического состояния при ударном сжатии, что приводит к генерации дефектов кристаллической структуры металла. Выделена компонента электросопротивления, обусловленная дефектами кристаллической структуры, и определена ее зависимость от ударного давления. Оценена концентрация точечных дефектов в ударно-сжатой меди. Вклад дефектов в электросопротивление металла при ударном сжатии возрастает при увеличении давления. Данный эффект необходимо учитывать для определения равновесного удельного электросопротивления и производных физических величин (например, коэффициента теплопроводности).

Методом дифференциальной сканирующей калориметрии экспериментально исследованы кинетические параметры термораспада фуразано-1,2,3,4-тетразин-1,3-диоксида (ФТДО) и системы ФТДО/динитразапентан (75/25 %). С использованием данных дифференциальной сканирующей калориметрии, полученных при скоростях нагрева 0.1÷5.0 К/мин, проведен кинетический анализ методом Киссинджера. Найдено, что термораспад ФТДО и системы ФТДО/ДНП происходит по реакции первого порядка с энергией активации 185 (ФТДО) и 171 кДж/моль (ФТДО/ДНП).