Экспериментальное исследование процессов воспламенения и горения аэровзвеси нанодисперсных частиц полиборида алюминия

Язык труда и переводы:
УДК:
536.46
Дата публикации:
10 января 2022, 19:49
Категория:
Секция 03. Основоположники аэрокосмического двигателестроения и проблемы теории и конструкций двигателей летательных аппаратов
Авторы
Папырин Павел Витальевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Сухов Алексей Васильевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Порошкообразные металлические горючие могут использоваться в составе аэро- и газовзвесей в воздушно-, гидрорекаткивных двигателях, а также в энергетических установках на двухкомпонентном порошкообразном топливе. При проектировании двигательных установок, использующих порошки металлов в таком виде, помимо характерных времен преобразования необходимо знать характеристики распространения пламени в газовзвеси, что определяет устойчивость и энергетическую эффективность рабочего процесса. Представлены результаты экспериментальных исследований по определению значений скорости оседания газовзвеси нанодисперсных частиц полиборида алюминия и скорости распространения пламени, определен спектр излучения продуктов сгорания аэровзвеси нанодисперсных частиц полиборида алюминия, проведен морфологический и химический анализ продуктов сгорания.
Ключевые слова:
порошкообразное горючее, полиборид алюминия, нанодисперсные частицы, горение аэровзвесей, спектр излучения продуктов сгорания
Основной текст труда

Одним из путей повышения эффективности энергетических и двигательных установок является использование высокоэнергетических топлив или добавок в твердое топливо, в частности порошкообразных металлических горючих [1, 2], например, алюминия или бора. Создавая изделия, использующие горючее такого типа, необходимо иметь данные не только о характерных временах преобразования таких топлив, но и о параметрах процесса распространения фронта пламени по газовзвеси порошков металлов. Это позволит оценить необходимые времена пребывания топлива в камере сгорания двигателя и, соответсвенно, габариты такой камеры. Параметры распространения пламени по аэровзвеси нанодисперсных частиц полиборида алюминия изучены сравнительно слабо. Однако использование бора в соединении с достаточно надежно воспламеняющимся алюминием представляется перспективным и, следовательно, изучение процесса рпспространения пламени по аэровзвеси таких частиц необходимо.

Для определения характеристик распространения пламени в аэровзвеси нанодисперсных частиц полиборида алюминия использована установка постоянного объема [3], с подключенным к ней через световод спектрографом ИСП-51. Вместо фотопластины на спектрограф крепится цифровая приставка МОРС-2 [4], которая позволяет вести запись спектрограммы излучения продуктов сгорания в режиме реального времени с частотой съёмки до 1000 кадров в секунду. В процессе эксперимента велась видеорегестрация процесса распространения фронта пламени по аэровзвеси частиц.

В связи с тем, что для воспламенения полиборида алюминия требуется обеспечить достаточно высокую температуру (1700...1800 K и выше), отработана двухступенчатая система воспламенения: первоначально от навески порошка магния воспламеняется навеска порошка алюминия (АСД-1), а затем от пламени алюминия — частицы полиборида.

В ходе эксперимента пламя распространяется вверх от открытого конца к закрытому, а продукты сгорания отводятся в ресивер, объем которого на порядок больше объема рабочего участка. Это позволяет обеспечить ламинарный режим распространения пламени, скорость распространения которого вычисляется суммированием скоростей оседания аэровзвеси wоs и распространения пламени относительно стенок рабочего участка w_{f}{}^{*}\left(w_{f}=w_{f}{}^{*}+w_{os}\right).

Полученные в ходе эксперимента конденсированные продукты сгорания оседают на поверхности байонетного затвора в нижней части камеры и в дальнейшем собираются для проведения масс-спектрографического анализа.

В результате спектрографического анализа впервые зарегистрированы в продуктах сгорания аэровзвеси нанодисперсных частиц полиборида алюминия неразрешенные молекулярные полосы в зелено-желтой областях спектра, что характерно для излучения молекул оксида бора BO2 и подтверждает газофазное горение полиборида алюминия в условиях, реализуемых в рабочем участке экспериментальной установки. Подтверждена возможность подачи и распыливания порошкообразного нанодисперсного полиборида алюминия и реализован процесс распространения пламени в аэрровзеси полиборида алюминия со скоростями wf = 0,42…0,75 м/с. Исследованы морфология и химический состав продуктов сгорания аэровзвеси нанодисперсных частиц полиборида алюминия, анализ которых показал наличие агломерации исходных нанодисперсных частиц в микродиспесрные структуры, покрытые пленкой оксида алюминия. Установлен сложный механизм горения аэровзвеси нанодисперсных частиц полиборида алюминия, сопровождающийся образованием газообразного оксида ВО2, агломерацией конденсированных частиц продуктов сгорания, формированием наноразмерных трубок и игольчатых структур, а также химическими реакциями взаимодействия полиборида алюминия не только с кислородом, но и с присутствующим в воздухе азотом.

Литература
  1. Ягодников Д.А. Воспламенение и горение порошкообразных металлов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. 432 с.
  2. Бобров А.Н. Исследование процессов воспламенения и горения перхлората аммония и алюминия как двухкомпонентного порошкообразного топлива ракетных двигательных установок: дисс. ... канд. техн. наук. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. 159 с. ДСП
  3. Ягодников Д.А., Воронецкий А.В., Лапицкий В.И. Распространение пламени по аэровзвеси алюминия при пониженных давлениях // Физика горения и взрыва. 1995. Т. 31. № 5. С. 23–30.
  4. Фотоэлектронные кассеты серии МОРС для модернизации ранее выпущенных спектрографов. Троицк: МОРС, 2010. URL: http://www.ooo-mors.ru/fek.html (дата обращения 14.06.2019).
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.