3. Характеристики металлов, гидридов металлов и основы их применения в порохах и трт
Использование порошкообразных металлов в качестве горючих ТРТ обеспечивает повышение удельного импульса и плотности топлива, а также устойчивости внутрикамерных процессов. Путем модификации характеристик металла представляется возможным регулировать и баллистические характеристики топлив. Увеличение удельного импульса происходит из-за повышения температуры продуктов сгорания в результате увеличения теплового эффекта реакции окисления (теплоты сгорания) и уменьшения диссоциации продуктов сгорания металла. Кроме того, в связи с тем, что металл окисляется преимущественно продуктами сгорания ГСВ, уменьшается молярная масса газообразных веществ (CO2®CO, H2O®H2). При этом средняя молярная масса всех продуктов сгорания топлива с металлом возрастает несущественно.
Основное влияние на энергетические характеристики топлив оказывает теплота сгорания металла, рассчитанная либо на единицу массы металла (Q1 - удельная теплота сгорания металла), либо на единицу массы образовавшегося оксида металла (Q2). По величине Q1 металлы и бор уступают водороду и располагаются в следующий убывающий ряд: Н> Ве> B> Li > Al > Mg. Удельная теплота сгорания служит мерой эффективности применения металла в воздушно- и гидрореактивных двигателях, в которых окислитель используется из внешней среды (воздуха и воды).
Для оценки реального вклада металла в энергетику ТРТ необходимо учитывать и количество окислителя, прореагировавшего с металлом, т.е. оценивать эффективность по теплоте образования единицы массы оксида металла Q2 (удельной энтальпии образования оксида или условного топлива «металл + окислитель»).
По удельной энтальпии образования оксида металлы и бор превосходят водород и углерод и располагаются в следующий убывающий ряд: Be > Li < В > Al > Mg > H > С. Это объясняется тем, что по сравнению, например, с водородом для окисления металлов и бора требуется в 4...12 раз меньше кислорода.
Влияние металлического горючего на энергетические характеристики ТРТ в общем случае определяется многими факторами и оценка их по какому-либо одному показателю оказывается недостаточной.
На величину удельного импульса ТРТ наряду с теплотой сгорания Q2 и соответственно температурой продуктов сгорания существенное влияние оказывают способность оксидов металлов к диссоциации, их теплофизические характеристики, теплоты и температуры фазовых превращений. Эти характеристики определяют содержание конденсированной фазы в продуктах сгорания и соответственно величину потерь удельного импульса на двухфазность.
Полнота сгорания частиц металла зависит от температуры воспламенения, скорости горения, времени пребывания частиц в камере сгорания. Эти характеристики зависят от размера частиц порошка. В результате из-за различного уровня потерь энергии в отдельных случаях металлы с меньшей теплотой сгорания могут обеспечивать более высокий уровень практического удельного импульса, чем металлы с большей теплотой сгорания. Так, например, Mg по теплотам сгорания Q1 и Q2 уступает Al и расчетный Iуд ТРТ с Mg меньше, чем с Al. В то же время температура вспышки (920 К) и энергия активации воспламенения (67,7 кДж/моль) магния ниже, чем величина соответствующих характеристик алюминия. По этим и другим причинам частицы Mg сгорают в ~ 3 раза быстрее, чем частицы Al. В результате замена частиц Al на Mg в составе баллиститных ТРТ приводит к снижению потерь (повышению полноты сгорания металла) и, как следствие, к повышению практического удельного импульса топлива.
Возможность и целесообразность использования в ТРТ того или иного металлического горючего определяется также необходимостью обеспечения комплекса требований, предъявляемых к топливам. При выборе металла необходимо учитывать химическую совместимость его с другими компонентами, экологическую чистоту продуктов сгорания, наличие сырьевой базы, стоимость и др. Наибольшей удельной энтальпией образования оксида (Q2) обладают Be и Li. Однако Be и продукты его сгорания являются высокотоксичными веществами. Использование Li в составе ТРТ затруднено вследствие его высокой химической активности.
Наиболее распространенным в природе, относительно дешевым и достаточно энергоемким металлическим горючим для ТРТ, удовлетворяющим основным требованиям, является алюминий. Вместе с тем в некоторых топливах, прежде всего в баллиститных, частицы Al из-за низкой окислительной активности кислородсодержащих продуктов горения воспламеняются с большой задержкой по времени и сгорают не полностью. В таких топливах используют Mg или его сплавы с Al, частицы которых воспламеняются быстрее, чем Al, и практически полностью сгорают.
Перспективным горючим рассматривают бор, применение которого по сравнению с Al снижает энергетические потери на двухфазность потока.
Среди характеристик, влияющих на эффективность применения порошков металлических горючих в составе ТРТ, важнейшими являются содержание активного (неокисленного) металла, форма частиц и их размер. В табл. 3.3 представлены основные характеристики металлических порошков, использующихся в ТРТ.
Порошки имеют, как правило, сферическую форму частиц, обеспечивающую оптимальное сочетание реологических характеристик топливных масс и степени наполнения порошкообразными компонентами, а также равномерное распределение их в полимерной матрице. Кроме того, при сферической форме частиц на единицу массы порошка содержание оксидной и гидроксидной пленок, являющихся балластом в топливе с точки зрения энергетики, будет минимальным.
В составе смесевых ТРТ используют порошки Al марки АСД (алюминий сферический дисперсный), в баллиститах - сплавы алюминия с магнием марок АМД и ПАМ, в пиротехнических составах - сплав ПАМ и магниевый порошок МПФ. Бор известен в двух модификациях: кристаллический (БК) и аморфный (БА), отличающихся свойствами (аморфный более активный), формой частиц (кристаллы и сферы) и их размером.
Т а б л и ц а 3.3