Вы вошли как ГостьПриветствую Вас, Гость
Главная » 2015 » Декабрь » 4 » Скорость горения пиротехнических смесей.
21:24
Скорость горения пиротехнических смесей.

     Очень часто в различных областях науки и техники необходимо производить разработку пиротехнических смесей и МВВ с достаточно специфическими свойствами. Одним из таких свойств является скорость горения, ранее мы уже упоминали о методах измерения скорости горения различных энергонасыщенных соединений в лабораторных условиях. Сегодня подробнее коснемся факторов, влияющих на скорость горения смесевых энергонасыщенных композиций.
    Давление. Как мы уже отмечали ранее, увеличение давления газообразных продуктов сгорания состава всегда приводит к увеличению скорость горения. Причем, зависимость геометрическая, то есть, прирост скорости горения смеси пропорционален степенной зависимости прироста давления. Это происходит по причине уменьшения толщины слоя смешения и сгорания газообразных продуктов разложения твердого вещества. Таким образом, теплоотдача от раскаленной газовой фазы к прогреваемому твердому веществу поверхности шашки увеличивается. Данное явление сопровождается частичным разрушением шашки из-за конвективных (вихревых) потоков у поверхности шашки (кипящий слой сжиженных при высоком давлении газов). В случае низкой прочности материала шашки, а так же, если это хрупкая прессованная многокомпонентная смесь, тогда разрушение шашки происходит в весьма заметной степени. Это явление наблюдают пиротехники при прессовании шашек небольших ракет из пороховой мякоти дымного пороха. Недостаточное уплотнение состава и превышение давления воспламенения могут приводить к разрушению шашки из-за резкого скачка скорости горения шашки.
    Чем больше выделяется при горении состава газообразных продуктов, тем больше зависимость скорости горения от давления. Поэтому, для трассерных составов пуль и снарядов использую смеси дающие лишь 1-6% газообразных продуктов горения. Остальные компоненты в этих случаях представлены порошками металлов, перхлоратами, хлоратами, оксидами металлов средней активности и пр.
    Температура. Как известно, любое горение складывается из прогрева массы до термического разложения (или активации, как, например, в случае порошков металлов), смешение продуктов разложения и их экзотермическое взаимодействие. Первая стадия является во многом определяющей, поэтому, если начальная температура шашки высока, тогда требуется меньше энергии подвести к составу на стадии прогрева (воспламенения), что бы вызвать его разложение. Смешение и реакция продуктов разложения протекают намного быстрее.
    Часто, малая скорость горения состава определяется именно высокой термической стойкостью компонентов, например: термитные смеси, трассерные составы, смеси ТИГ и пр.
    В плане влияния начальной температуры стоит вспомнить два примера из области артиллерии. При стрельбе зимой необходимо немного увеличивать навеску пороха (минометные заряды-кольца, мешочки в гильзу при раздельном гильзовом заряжании и пр.). В противном случае может произойти неполное сгорания пороховых элементов, особенно, в высокоимпульсной артиллерии, которая использует сильно флегматизированные пороха. Другой пример относится к временам войны в Северной Корее, когда советские военные специалисты оказывали помощь Северной Корее. Бои проходили у побережья, необходимо вести огонь через пролив, но, артиллеристы располагали лишь шестидюймовыми гаубицами МЛ-20, дальность стрельбы которых не превышает 17,2 км. Что бы оказать поддержку десанту и догнать эти недостающие пару километров, артиллеристы пошли на небольшую уловку. Гильзы с пороховыми зарядами нагревали на паровой бане до 50-60*С и сразу же вели огонь. Повышение начальной температуры порохового заряда увеличивали скорость сгорания пороха на 10-20%, что снижало потери энергии при выстреле и повышало полноту использования энергии заряда. Как следствие, требуемая дальность была достигнута. Если бы орудие не имело высокого запаса прочности, оно могло бы и не выдержать подобного обращения.
    Охлаждающие добавки. Если нужно искусственно замедлить скорость горения массы, тогда могут вноситься дополнительные охлаждающие добавки. Например, многие охотники первой половины прошлого века иногда использовали интересный прием при снаряжении патронов для винтовок и карабинов. Обычные пороха для гладкоствольного оружия не подходят для более высокоимпульсных систем, поэтому необходимо снизить их скорость горения, иначе ствол не выдержит. Обычный пироксилиновый порох “Сокол” слегка смачивали керосином или раствором парафина в бензине. Для этого хватало всего несколько капель на 20-50 граммов пороха. После интенсивного перемешивания, керосин равномерно распределялся в верхних слоях пороховых элементов. При горении керосин разлагался с поглощением энергии, но, продукты разложения (С, СО, Н2, СН4, С2Н2 и пр.) не выделяли энергии, так как, им не в чем было гореть (изначальный кислородный баланс пороха слегка отрицательный). При этом наблюдается более сильная вспышка пламени у дульного среза (особенно у карабинов), а так же, сильнее засоряется сажей канал ствола.
    Более поздний прием предусматривает использование гранул аммиачной селитры, пропитанных парафином. Селитра дает много газообразных продуктов разложения, но, выделяет мало энергии. Парафин частично сгорает в выделенном селитрой кислороде (состав гранул примерно 1:1 парафин и селитра). Эффект как в предыдущем примере, но, загрязнение канала ствола сажей заметно меньше, а возможности к реализации плавного горения даже в длинном стволе и при высоком давлении выше. Подобных примеров множество, сегодня они ушли в прошлое, так как, во всем мире продается множество сортов специальных порохов для снаряжения винтовочных патронов.
    Тепловой эффект горения. Выше мы отметили, что скорость сгорания смеси во многом определяется прогревом массы состава от газообразных продуктов горения. Чем выше температура продуктов сгорания, тем быстрее прогревается твердая фаза. Для многих пиротехнических смесей, оптимизированных для медленного горения при высоком давлении, используются окислители с большими затратами энергии на разложение, и топлива с малым выделением энергии. Например, аммиачная селитра при разложении поглощает много энергии, сама при этом выделяет мало энергии (за счет реакции между аммиаком и оксидами азота). Если топливом служит обычный каучук (при содержании порядка 14-18%) тогда смесь будет иметь малую скорость горения, что используется, например, в некоторых аккумуляторах давления (ПАД). Смеси на основе аммиачной селитры и перхлората аммония при разложении дают много газообразных и парообразных продуктов (вода, азот, кислород, для перхлората еще хлороводород), если топливо содержится в недостаточном количестве и/или имеет малую теплоту сгорания (например, древесные опилки), тогда скорость горения такой смеси очень мала. Её можно повысить лишь заметным увеличением давления или повышением начальной температуры смесь.
    Дисперсность и удельная поверхность. Скорость горения шашки зависит от площади ее поверхности, это широко используется как в пиротехнике, так и при проектировании ТИГ, ПАД, твердотопливных ракетных двигателей, пороховых элементов в артиллерии и стрелком оружии.
    Кроме внешней поверхности шашки, имеет значение и поверхность соприкосновения частичек компонентов (если это смесь), а так же, внутренние полости в шашке. Если шашка имеет пористую структуру, трещины, раковины, изъяны поверхности, тогда она сгорит быстрее за счет этих дополнительных участков горения. Для ограничения и/или управления скоростью горения шашки ТРТ часто применяют бронирование, то есть, покрытие термостойким составом части поверхности шашки.
    Из исторических примеров стоит привести ракеты эпохи дымного пороха. Как известно, главное ограничение на размеры ракет на дымном порохе, накладывает именно образование трещин и внутренних усадочных раковин при сушке шашки. Чем больше диаметр шашки, тем больше образуется трещин при сушке.
    Другой пример, это пористые сферические пороха для низкоимпульсных систем, например, короткоствольных пистолетов под патроны кольцевого воспламенения. Для увеличения скорости горения порохового заряда, при приготовлении порохового лака, в него вносят фракционированную по размеру кристаллов калийную селитру. После формования зерна, порох вымачивают в воде, селитру вымывает вода, и на месте кристаллов остаются полости. Увеличение поверхности пороховых зерен приводит к увеличению скорости горения, порох успевает весь сгореть даже в коротком стволе и при низком давлении.
    Кроме выше перечисленных факторов, существуют и другие, более сложные методы управления скоростью горения пиротехнических смесей. Например, можно повысить прочность шашки за счет поперечной сшивки макромолекул горюче-связующего, или напротив, размягчить полимерную матрицу внесением пластификатора, да еще и энергонасыщенного. Один из методов управления скоростью горения предусматривает добавку стабилизаторов химической стойкости, или напротив, термически нестабильных энергонасыщенных компонентов.
     На практике, всегда сложно оценить без эксперимента точное значение скорости горения, так как, она является сложно функцией множества факторов. Поэтому, для упрощения и технологичности процессов производства, в каждом случае обычно используют не более 2-3 методов управления скоростью горения.

Категория: Энергонасыщенные соединения | Просмотров: 1061 | Добавил: Chemadm | Теги: катализатор горения, пиротехника, Горение, энергонасыщенные | Рейтинг: 5.0/3
Всего комментариев: 2
0
1  
А форма и конструкция заряда тоже влияет на скорость горения? Например, если заряд имеет внутренние полости или каналы - то в этом случае скорость горения повышается?

0
2  
Начальная форма заряда определяет начальную поверхность горения. В данном материале сказано преимущественно про удельную скорость горения, то есть, миллиметры в секунду, или килограммы продуктов горения с единицы поверхности за единицу времени. Внутренние полости, трещины, раковины, пористость заряда и пр., затронуты в пункте дисперсность и удельная поверхность. В данном случае под удельной поверхностью подразумевается реальная поверхность горения, с учетом всех неровностей, приходящаяся на единицу геометрической поверхности шашки. Любое изменение геометрии шашки, вызывающее повышение поверхности горения, вызывает и уменьшение времени горения шашки.

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]