Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2025 номер 2

Численно изучено управление горением дросселирующими струями в двухсекционном канале с высокоскоростным потоком. Для создания в первой секции интенсивного горения углеводородного топлива в околозвуковом режиме применяются импульсы первой дросселирующей струи. Для поддержания режима перед расширением канала применяется боковая подача топлива после отключения первой струи. Для увеличения полноты сгорания топлива во второй секции используется вторая дросселирующая струя. Решаются осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье - Стокса, замыкаемые k- ε-моделью турбулентности. Горение моделировалось брутто-реакцией. Установлен пульсирующий режим горения водорода во второй секции при воздействии на него холодной дросселирующей струей. Изучено ее влияние на полноту сгорания водорода.

Исследована возможность существования волн горения в смесях CH₄/воздух с содержанием метана α = 5 ÷ 8 % (об.) и в смесях CH₄/воздух/угольная взвесь в закрытом вертикальном канале длиной 6.75 м и диаметром 0.07 м при поджигании сверху. Опыты выполнены при начальном давлении 0.1 МПа, среднеобъемной концентрации пыли 100 ÷ 530 г/м³ и размере частиц 0 ÷ 200 мкм. Установлено, что горение не инициируется в газовых и газоугольных смесях с α ≤ 5 ÷ 5.5 % (об.). Полученные результаты указывают на влияние направления силы тяжести на зажигание и горение смесей и на низкий по сравнению с метаном энергетический вклад угольных частиц.

Представлены новые данные о параметрах детонации обедненных, стехиометрических и обогащенных горючих систем метан --- кислород (воздух) и водород --- кислород (воздух) при их ингибировании азотом и углекислым газом. При варьировании соотношения между исходными компонентами обнаружено более сильное гасящее влияние углекислого газа на параметры продуктов горения и детонации.

Проведено экспериментальное исследование тепловых процессов при газодетонационном нанесении покрытий. В этом процессе частицы напыляемого вещества перед соударением с мишенью разгоняются до скоростей 300 ÷ 500 м/с потоком продуктов детонации газовой смеси, температура которой достигает 4 200 °C. Вследствие интенсивного теплообмена температура частиц растет. Наиболее качественное покрытие получается при их нагреве до температуры, близкой к температуре плавления. Поэтому для оценки температуры нагрева частиц были измерены тепловые потоки со стороны продуктов детонации газовой смеси к их лобовой и боковой поверхностям методом, основанным на использовании эффекта Зеебека.

Представлена методика бесконтактной диагностики ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ) методом рентгенографии. Проведено экспериментальное исследование по визуализации внутрикамерных процессов и определению скорости горения твердого топлива в модельном РДТТ Е-5-0 с помощью рентгенографического комплекса, состоящего из источника рентгеновского излучения и динамического рентгеновского детектора, расположенных на заданном расстоянии от объекта исследования. Экспериментально подтверждена возможность бесконтактного определения скорости горения топлива на основе анализа изменения уровней серого вблизи горящей поверхности. Показано удовлетворительное согласование результатов рентгенографии с другими способами определения скорости горения твердого топлива.

Исследовалось влияние углеродных добавок на скорость горения модельных смесевых ракетных топлив. Использовались составы пастообразного ракетного топлива, представляющего собой аналог смесевого твердого топлива с неотвержденным связующим. В качестве наноуглеродных добавок использовался детонационный наноалмаз (ДНА), в том числе термообработанный или раздробленный до размера 4 нм, а также многослойные углеродные нанотрубки, сажа, активированный уголь, графит, адамантан, графен. Из всех аллотропных форм углерода максимальный прирост скорости горения (23 %) обеспечила добавка 2 % ДНА с 2 % пластификатора (по массе). При этом температура продуктов сгорания снижается на ≈200 °C, что уменьшает вероятность прогара ракетного двигателя.

На основе физических оценок и экспериментальных результатов, полученных в последние годы, рассмотрен рост частиц за фронтом детонационной волны в конденсированных взрывчатых веществах. Основное внимание уделено резкому различию размеров частиц, связанному с наличием либо отсутствием водорода в составе взрывчатого вещества.

Разработана вычислительная методика моделирования ударно-волнового механизма формирования детонационной волны при взаимодействии быстролетящего тела (БЛТ) с горючей водородокислородной смесью, на 50 % разбавленной аргоном, при нормальных условиях. Рассматривались скорости БЛТ в диапазоне чисел Маха M = 3 ÷ 4, что меньше скорости детонации Чепмена --- Жуге в исследуемой смеси при нормальных давлении и температуре. Показано, что детонационная волна инициируется при скорости БЛТ, превышающей M = 3.9. При этом реализуется ударно-волновой механизм инициирования, когда детонационная волна формируется на ударной волне, отделенной от волны горения зоной индукции. Моделирование позволило выявить новый режим обтекания БЛТ потоком реагирующего газа. В диапазоне скоростей БЛТ M = 3.4 ÷ 3.85 формируется квазистационарный режим ударно-инициированного горения. Показано, что параметры потока, необходимые для прямого инициирования многофронтовой детонации БЛТ, согласуются с аналитическими оценками энергии инициирования.

С использованием оптических методов регистрации быстропротекающих процессов исследовалось течение за фронтом детонационных волн в смеси нитрометан/полиметилметакрилат (НМ/ПММА). Показано, что увеличение концентрации ПММА приводит к увеличению критического диаметра детонации, который, как и в чистом НМ, определяется возникновением волн срыва реакции на границе заряда с оболочкой. Использование высокоскоростной восьмиканальной шестнадцатикадровой электронно-оптической камеры НАНОГЕЙТ-22/16 позволяет детально изучить процесс пространственного возникновения и распространения волн срыва реакции, а также определить их характерный размер. Показано, что неустойчивое течение на краю заряда в смеси НМ/ПММА может быть стабилизировано добавлением аминов или стеклянных микросфер.

На основе модельных экспериментов исследованы подходы к численному моделированию распространения детонационной волны в каналах малого сечения, снаряженных взрывчатым веществом на основе тэна (пентаэритриттетранитрат), с учетом макроскопической кинетики детонации.

Получены однородные смеси гексогена, октогена, тэна, тротила, Fox-7, бензотрифуроксана различной дисперсности с инертным мягким полимером --- полисилоксаном (СКТ). Удельная поверхность кристаллических взрывчатых веществ (ВВ) варьировалась от 440 до 4 750 см²/г, содержание ВВ в смесях --- от 65 до 82 % (мас.). Из каждой бинарной смеси (ВВ/СКТ) формировались сплошные, практически беспористые плоские (круглые диаметром 40 мм и квадратные размером 40 × 40 мм) заряды различной толщины и удлиненные цилиндрические (шнуровые) заряды различного диаметра. Плоские и шнуровые заряды имели одинаковые состав, дисперсность и дефектность кристаллов ВВ, плотность. Экспериментально с точностью 0.05 мм определены критические толщины и критические диаметры детонации всех смесей. Условия испытаний --- плоские и шнуровые заряды без оболочек, расположенные на металлическом основании. Установлено практически постоянное отношение критического диаметра к критической толщине детонации, равное 1.83 ± 0.1. Учтена также ранее полученная зависимость критического диаметра детонации ВВ и взрывчатых смесей от пористости зарядов. Получено уравнение для корректного пересчета экспериментальной критической толщины детонации прессованных зарядов кристаллических ВВ с реальной пористостью в критический диаметр детонации высокоплотных зарядов. Это уравнение подтверждено дополнительно проведенными в данной работе испытаниями ряда индивидуальных ВВ различной дисперсности и известными литературными данными.

Проведены термодинамические расчеты характеристик взрывчатых составов на основе перхлората тетраметиламмония, оценена их чувствительность, определена теплота взрыва с измерением объема и анализом состава газообразных продуктов взрыва. Показана возможность создания перспективных взрывчатых составов, имеющих детонационную способность и механическую чувствительность в диапазоне тротил --- гексоген, с теплотой взрыва более 6 МДж/кг и содержанием водорода в газообразных продуктах взрыва более 50 % по объему.

Представлены результаты исследования взрывчатых составов при замене горючего наполнителя --- порошка алюминия на изготовленную методом механоактивации алюмоборсодержащую композиционную смесь. Термодинамические расчеты характеристик наполнителей и взрывчатых составов выполнены с использованием программного комплекса TERRA и базы данных NIST. Исследованы совместимость наполнителей с активными связующими и влияние наполнителя на детонационные характеристики, фугасное, метательное и бризантное действие модельных взрывчатых составов.

Реакция материала на импульсное нагружение цилиндрических образцов определяется двумя взаимосвязанными процессами: движением ударной волны к оси образца и перемещением возмущений в виде тройных ударных конфигураций по фронту ударной волны. Площадь поверхности фронта возмущенной ударной волны растет за счет выступов, которые усиливаются в результате слияния с более мелкими возмущениями, постоянно генерируемыми ударной волной. Резкий рост площади фронта при приближении ударной волны к оси приводит к образованию нескольких крупных тройных ударных конфигураций, при этом фронт ударной волны разделяется на отдельные секторы, где они совершают колебательные движения. Столкновение мощных ударных конфигураций обеспечивает движение фронта ударной волны к оси путем выброса части сжатого материала из зоны столкновения вперед перед фронтом ударной волны и дополнительного уплотнения ударно-сжатого материала продольными ударными волнами конфигураций под фронтом волны. Процесс кумуляции завершается, когда высота выступов становится равной расстоянию от фронта ударной волны до оси. Околоосевое пространство занимается выступами фронта, а возникшая при этом отраженная ударная волна тормозит набегающий поток.

Методами металлографии исследовано схождение медных цилиндрических оболочек, подвергнутых действию взрыва. Поверхность оболочек была покрыта слоем взрывчатого вещества. Взрыв инициировали в восьми точках, равномерно расположенных на цилиндрической поверхности. При схождении на внутренней поверхности оболочек образовалось восемь выбросов, т. е. произошла потеря устойчивости гладкого фронта деформации. Предложено объяснение образования выбросов, основанное на возникновении пластических (кумулятивных) струй при взаимодействии соседних ударных и деформационных волн. Структурный механизм схождения медных толстостенных оболочек состоит из образования, расширения и смыкания выбросов. Обнаружен еще один механизм потери устойчивости фронта деформации, предшествующий образованию выбросов, --- гофрирование.

Представлены результаты исследования гидродинамической неустойчивости, возникающей при схлопывании оболочек, в частности облицовок кумулятивных зарядов. Изначально такая неустойчивость инициировалась гармоническими поверхностными возмущениями или же возмущениями параметров нагрузки. Неустойчивость проявлялась в форме развития этих возмущений с течением времени. Отсутствие или же ограниченный рост поверхностных возмущений рассматривались как проявление устойчивости процесса деформирования оболочки. В настоящей работе приняты во внимание результаты, полученные как с помощью численного моделирования, так и с опорой на известные экспериментальные данные. По итогам исследования сформулированы выводы о причинах и возможных формах проявления неустойчивости деформирования схлопывающихся металлических оболочек, а также об определяющих параметрах этого процесса, о его особенностях и закономерностях.

Рассматривается рентгенографический эксперимент по взрывному обжатию сферических оболочек из карбида бора и свинца при одноточечном инициировании детонации на поверхности шарового слоя из взрывчатого вещества. Проведено сравнение экспериментальных данных с результатами численного моделирования по методике ЛЭГАК. Достигнуто удовлетворительное согласие в характере разрушения оболочек из карбида бора в расчете и эксперименте.

Определены яркостная и цветовая температуры ударно-разогретого плавленого кварца в диапазоне длин волн теплового излучения от 390 до 630 нм с использованием четырехканального пирометра. Измерения проведены в диапазоне давлений ударного сжатия 27.6 ÷ 50.5 ГПа. Показано, что спектр излучения ударно-разогретого плавленого кварца представляет собой наложение спектра теплового излучения и линейчатого спектра. Определены барические зависимости излучательной способности и коэффициента поглощения ударно-сжатого плавленого кварца.

Сформулирована эвристическая модель для расчета давления за фронтом ударной волны в конденсированной среде. Модель опирается на эмпирическую связь между полным давлением и произведением потенциальной составляющей давления на степень ударного сжатия. Модель подтверждается молекулярно-динамическими расчетами термодинамического состояния ударно-сжатой конденсированной среды и сравнением с экспериментальными данными по изотермическому и изоэнтропическому сжатию железа.

Рассмотрены возможности повышения эффективности кумулятивных зарядов за счет использования линзовых узлов из высокомодульной керамики. При этом повышение параметров нагружения кумулятивной облицовки может быть достигнуто, если детонационная волна, огибающая линзу, будет распространяться по предварительно сжатому, но не прореагировавшему ВВ. Предварительное сжатие заряда ВВ без инициирования детонации может быть достигнуто путем его ударной десенсибилизации опережающей волной, прошедшей через керамическую линзу. На основе численного моделирования распространения детонационной волны в кумулятивном заряде с различными линзовыми узлами показана перспективность применения составных линз, в которых внутренняя часть, прилегающая к оси симметрии, выполнена из высокомодульной керамики, а внешняя --- из обычного инертного материала.