Теплофизические явления в полимерных материалах при интенсивном и кр

димых физико-механических характеристик и, кроме того, поскольку введение в композицию веществ, содержащих помимо CNO водород, благоприятно сказывается на величине удельного импульса Isp топлива, то весьма важную роль начинает играть выбор горючего-связующего для такой двойной системы, как окислитель + связующее. Принципы компоновки систем на основе высокоэнтальпийных полиазотистых соединений имеют особенности, которые следует учитывать при конструировании как основного соединения (которое можно по традиции назвать окислителем), так и связующего, которое в некоторых случаях можно с большим основанием назвать окислителем. При очень высоких энтальпиях образования становится выгодным неполное окисление углерода и водорода. Для высокоэнтальпийных CHNO-систем должна быть характерной более сильная зависимость Isp от энтальпии и элементного состава связующего и его содержания в композиции, чем это имеет место в классических системах.

Для исследования были выбраны восемь представителей высокоэнтальпийных CНNO-соединений (табл. 4.14), в основном нитропроизводные фуразанов, фуроксанов, азолов и азинов, и четыре связующих (табл. 4.15), являющихся представителями существенно различных классов: типичное связующее на углеводородной основе (УС); поливинилметилтетразол (ПВМТ) – представитель высокоэнтальпийных соединений; так называемое активное связующее (АС), содержащее высокое количество нитроглицерина; поливинилметоксидиазен-N-оксид (ПВМОДАО) – представитель относительно нового класса связующих, сочетающих высокую термостабильность и низкую химическую реакционноспособность с хорошими энергетическими характеристиками. В работе [130] для составов из этих компонентов рассчитаны значения удельного импульса с применением стандартной программы «Астра-4».

101

Таблица 4 . 1 4

Свойства окислителей

102

Таблица 4 . 1 5

Свойства связующих

Энергетические характеристики составов на основе CНNOокислителей должны зависеть от трех параметров, характеризующих элементный состав и энтальпию образования окислителя. За параметры, характеризующие элементный состав, можно принять величину коэффициента избытка кислорода α и массовую долю N азота в молекуле. Была математически проанализирована зависимость максимально достижимых величин Isp(max) (при

условии, что объемное содержание связующего не ниже 20 %) от ∆H f , α и N окислителя для каждого из четырех исследованных

связующих.

Авторы работы [130] проанализировали различные виды аналитических зависимостей и пришли к выводу, что для CНNOокислителей, значения ∆H f , α и N которых лежат в исследован-

ном диапазоне ( ∆H f от +300 до +900 ккал/кг, α от 0,5 до 1,25,

N от 32 до 55 %), с достаточно высокой степенью точности справедливо выражение

где k1 − k5 – коэффициенты, представленные в табл. 4.16.

103

Различие не превышает 1 %. Видно, что модель эффективных характеристик гетерогенных сред применима для расчета удельного импульса смесевых составов.

Таким образом, использование формулы (3.9) может стать полезным для оценки наиболее выгодного связующего (а четыре связующих, исследованные в данной работе, можно считать типичными представителями стандартных классов связующих), которое в паре с исследуемым CНNO-окислителем может дать наиболее энергоемкое СТРТ.

В данном подразделе показано, что для безметалловых композиций на базе высокоэнтальпийных окислителей, не содержащих водорода, величина удельного импульса в значительной мере зависит от правильного подбора связующего.

РАЗДЕЛ 5. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ И ВОЛНОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ДЕТАЛЯХ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СОСТАВОВ ПРИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ОБЛУЧЕНИИ СВЧ-ДИАПАЗОНА

5.1. Модель реакции образцов из полимерных высокоэнергетических материалов на воздействие СВЧ-излучения

Авторами работы [90] выполнены экспериментальные исследования воздействий СВЧ-излучения на образцы из полимерных высокоэнергетических материалов. СВЧ-установка для облучения образцов составов обеспечивала генерацию импульсов плоскополяризованного электромагнитного излучения со следующими параметрами: частотой излучения 2,7 ГГц; мощностью в импульсе 0,754 МВт; длительностью СВЧ-импульса 2,5 мкс, частотой следования импульсов 375 Гц. СВЧ-установка размещалась на открытой площадке, размеры которой исключали влияние отраженного от окружающих предметов СВЧ-излучения на образцы. Контейнер представляет собой пенопластовую коробку размером 240×160×90 мм3 с плотно закрывающейся крышкой. Внутри контейнер разделен на секции, в которые помещались образцы таким образом, чтобы не «затенять» друг друга от СВЧизлучения. Пенопластовый контейнер является абсолютно «прозрачным» для СВЧ-излучения и исключает влияние внешних факторов (в первую очередь температуры и влажности). Контейнер располагался на расстоянии 50 мм от среза рупорной антенны СВЧ-установки. Были исследованы три типа полимерных мате-

риалов: 1) НДП-5А; 2)ПД-10/20Э; 3) МГТ-2П.

При воздействии СВЧ-излучения на образцы наблюдался их нагрев. Степень нагрева зависела от продолжительности воздействия. Наибольшая интенсивность нагрева наблюдалась у образ-

106

цов ПД-10/20Э. В табл. 5.1 приведены типы образцов, продолжительность воздействия СВЧ-излучения и температура образцов после СВЧ-воздействия. Все образцы последней партии (продолжительность воздействия 360 с) сгорели вследствие воспламенения об- разцовПД-10/20Э через 315 с после начала облучения.

Таблица 5 . 1

Нагрев образцов после облучения

Экспериментальные результаты показывают, что механическая прочность и скорость горения в диапазоне времени облучения менее 360 с практически не изменяются. При времени облучения 360 с температура образцов достигла 70 °С, и при этом образцы воспламенились и сгорели.

И первый, и второй результаты кажутся необычными и необъяснимыми с позиций существующих представлений. Действительно, температура 70 °С в три раза меньше температуры начала интенсивного разложения (210–215 °С). Далее попытаемся объяснить эти факты в рамках предложенной модели.

Смесевые полимерные высокоэнергетические материалы можно отнести к диэлектрикам. При воздействии СВЧ-излучения на диэлектрик интерес представляют эффективные потери, проявляющиеся в виде тепловой энергии, выделившейся в диэлектрике. Электромагнитная волна, распространяющаяся в диэлектрике с потерями, ослабляется в направлении распространения. Амплитуда напряженности электрического поля Е (В/м) в диэлектрике изменяется по экспоненциальному закону:

107

где f – частота, Гц; ε0 – электрическая постоянная, ε0 = 8,85×10–12 Ф/м; ε – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика; tg ∆ – тангенс угла диэлектрических потерь диэлектрика.

Плотность тепловой энергии Wтепл (Дж/м3), выделившейся в диэлектрике, определяется выражением

где tвозд – время воздействия СВЧ-излучения, с.

В свою очередь при воздействии в течение времени облучения tобл последовательности импульсов частотой их следования fимп и длительностью каждого импульса τимп выражение для определения величины tвозд имеет вид

Величину нагрева (приращение температуры) ∆Т (oC) диэлектрика можно определить следующим образом:

где Суд – удельная теплоемкость диэлектрика, Дж/(кг·oC); ρ – плотность диэлектрика, кг/м3.

По формулам (5.1)–(5.6) были рассчитаны значения напряженности поля Е и величины нагрева ∆Т образцов ТРТ.

При рассчитанной величине Е = 4,7·105 В/м были получены следующие результаты:

При этом использованы следующие данные: fимп = 375 Гц,

τимп = 2,5 мкс, Ри = 0,754 МВт, λ = 0,111 м, а = 0,072 м, S = 8 ·10–3 м2.

Значения ε = 5, tg ∆ = 0,01 и другие параметры для ТРТ взяты из работы [136]. Рассчитанные значения температур соответствуют экспериментально определенным.

109

Ранее (см., например, работу [89]) был обоснован двухпараметрический критерий возбуждения взрыва, содержащий две составляющие – энергетическую и геометрическую.

Энергетическая составляющая связана с пороговым значением плотности тепловой энергии Wтепл* = 5,5 108 Дж/м3. При поглощении энергетическим материалом плотности тепловой

материала. В нашем случае при времени облучения tобл = 360 с это пороговое значение Wтепл* вполне достигается и состав мог

бы сдетонировать. Однако геометрическая составляющая критерия достижения взрыва не выполняется. Критический размер деталей состава, в котором реализуется устойчивая детонация, составляет порядка 1 м. Размеры исследованных образцов на 2–3 порядка меньше этого. Поэтому в образцах реализовалось быстрое горение.

Объемная плотность энергии Wтепл* = 5,5 108 Дж/м3 соответствует разрыву связей между молекулами состава и осуществлению химического превращения ТРТ, т.е. осуществлению детонации. При Wтепл <Wтепл* , что соответствует tобл <360 с в экспериментах, структура состава ТРТ не изменяется. Возможные частичные нарушения за сутки (после СВЧ-воздействия) «вылечиваются», восстанавливаются. Поэтому испытания на разрыв и скорость горения дают значения, совпадающие со значениями для необлученных образцов в пределах экспериментальных погрешностей.

Таким образом, предложена модель, позволяющая оценить величину плотности энергии, выделившейся (поглощенной) в образце в результате СВЧ-воздействия, и, соответственно, оценить возможные последствия этого воздействия.

110