Тема: МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГОРЕНИЯ МЕТАЛЛИЗИРОВАННОГО СМЕСЕВОГО ТВЕРДОГО ТОПЛИВА С УЧЕТОМ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТИЦ- АГЛОМЕРАТОВ ПО РАЗМЕРАМ

Ракетные двигатели на базе смесевого твердого топлива имеют широкое применение в ракетно-космических системах из-за относительной простоты, надежности и возможности долговременного хранения, что приводит к разработке новых компонентов топлива, отвечающих требованиям повышенной энергоэффективности.
Основной метод повышения характеристик ракетных двигателей на твердом топливе заключается в повышении их энергетических характеристик твердых топлив, применяемых в них. Теплофизические свойства смесевых твердых топлив напрямую влияют на такую характеристику ракеты как ее удельный импульс, который определяет такие ее параметры, как дальность полета, масса полезной нагрузки и скорость полета. Получение оптимальных данных СТТ связано с определением и прогнозированием их свойств в ходе исследования рецептуры.
Добавки металла в виде высокодисперсных порошков считаются основным горючим СТТ. Наиболее распространенным и наиболее дешевым горючим является порошок алюминия.
Известно, что добавление порошка металла в состав твердого топлива оказывает влияние не только на его энергетические характеристики, но и на линейную скорость горения, что непосредственно связано с определением общего массового расхода топлива с поверхности горения.
С целью определения линейной скорости горения смесевых составов проводят большой объем экспериментов.
Увеличение температуры и теплоты горения - это главная роль металлического горючего, которая содействует нагреванию до более высокой температуры газообразных продуктов сгорания органического горючего и увеличивает общую энергетику топлива.
Использование тонко измельченного порошка алюминия в смесевых топливах не только увеличивает удельную тягу двигателей, но, и улучшает безопасность их запуска, и увеличивает стабильность горения топлива. При этом эффект агломерации частиц металла на поверхности твердого топлива значительно затрудняет процедуру прогнозирования его характеристик в процессе горения.
Агломерация - явление, при котором в поверхностном слое горящего твердого топлива формируются агломераты конденсированных продуктов, превышающие размеры исходных частиц металлического горючего.
Агломерация связана с наличием в топливе и на его поверхности горения 3
контактирующих частиц алюминия, которые при определенных условиях могут объединяться в крупные капли - агломераты.
Процесс агломерации начинается в конденсированной фазе СТРТ с инертного прогрева исходных частиц алюминия в тепловой волне и заканчивается горением агломератов в газовом потоке после их отрыва от поверхности горения топлива.
Анализ показывает, что любые меры, способствующие уменьшению размеров агломератов, покидающих поверхность горения СТРТ, в конечном счете, повышают баллистическую эффективность РДТТ.
Проблема горения металлизированных твердых топлив остается актуальной многие десятилетия, несмотря на достаточно большое число исследований, проведенных в рамках этого научного направления. Это связано с перспективами замены ракет- носителей с жидкостными двигателями на системы аналогичного назначения, но с твердотопливными двигателями. Перспективность данного направления обусловлена преимуществами твердотопливных ракет перед жидкостными в части их подготовки к запуску, хранения и транспорта. Широкое внедрение смесевых топлив с микро- и наноразмерными частицами металлов на настоящее временя осуществляется в основном эмпирически. Технологи разрабатывают рецептуры и технологии производства металлизированных ТРТ на основе микро- и нанопорошков металлов путем экспериментального подбора параметров на всех стадиях изготовления топлив. Можно достаточно обосновано констатировать, что в настоящее время не разработана общая теория горения металлизированных ТРТ, учитывающая особенности механизма газофазного горения топливных композиций на основе микро- и нанодисперсных порошков металлов (в первую очередь алюминия). В настоящее время созданы различные технологии получения наноразмерных порошков металлов, используемых в качестве добавок в высокоэнергетические вещества. К таким металлам относятся алюминий, бор, магний, в качестве катализаторов используется порошок железа. Например, в Томском государственном университете освоен выпуск композиционных порошков металлов, когда наночастица алюминия пассивирована органическим веществом либо покрыта никелем. Современные возможности получения ультра- и нано-дисперсных порошков металлов и других веществ создали возможности для разработки металлизированных смесевых твердых ракетных топлив на новой компонентной основе.
В связи с этим, возникла необходимость разработки адекватных физикоматематических моделей для предварительного анализа макрокинетических свойств горения металлизированных твердых ракетных топлив, прогнозирования их линейной скорости горения в зависимости от компонентного состава и давления над поверхностью горения с целью сокращения дорогостоящих экспериментов.
Целью работы является определение механизмов влияния добавок порошков алюминия на скорость горения высокоэнергетических конденсированных материалов (ВЭМ), в частности, смесевых твердых топлив на основе перхлората аммония.
Предлагается на основе статистического анализа экспериментов по изучению образования и эволюции частиц и агломератов для различных топливных рецептур металлизированных твердых топлив получить эмпирические функции распределения частиц алюминия по размерам на поверхности горения Совместное использование полученных функций и представленных в научной литературе физико-математических моделей горения металлизированных твердых топлив позволяет получать точный расчет скорости горения в широком диапазоне параметров рецептур топлив и условий камеры сгорания.
Разработанная модель горения ВЭМ будет относиться к классу детерминированных моделей горения смесевых твердых топлив.

Купить

Определены механизмы влияния добавок порошков алюминия на скорость горения смесевых твердых топлив на основе перхлората аммония.
На основе статистического анализа экспериментов по изучению эволюции частиц и агломератов для различных топливных рецептур получены эмпирические функции распределения частиц алюминия по размерам на выходе с поверхности горения.
На основе совместного использование полученных функций и представленных в научной литературе физико-математических моделей горения металлизированных твердых топлив предложена методика расчета скорости горения смесевого твердого топлива на основе перхлората аммония с добавлением наноразмерного порошка алюминия, позволяющая получать расчет скорости горения удовлетворительно согласующийся с данными экспериментальных измерений.

Купить