Аксенов Лабораторный практикум по физике 2007

Установка представляет собой камеру высокого давления, оснащенную датчиком давления, соплом для истечения продуктов сгорания и воспламенительным устройством. Она моделирует стартовый ракетный двигатель систем ближнего боя. В рабочем положении камера укрепляется на баллоне, служащим для сбора продуктов сгорания.

Кроме этого установка позволяет осуществлять гашение пороха при различных значениях начальной температуры и уровнях давления (до 300 МПа) для исследования структуры поверхности погашенных пороховых элементов.

Использованные конструкционные решения камеры и вкладывающегося блока позволяют осуществлять истечение продуктов горения пороха после разрыва мембраны за времена менее l мс. При этом вкладыш ограничивает перемещение пороховых элементов, что исключает возможность их вылета из камеры и механическое повреждение.

Возможности установки определяются в основном техническими характеристиками модельной ракетной камеры, схема которой представлена нa pис. 8.4.

Корпус камеры выполнен из улучшенной стали Ст.45 и покрыт никелем. Внутренний объем камеры – 20 см3, длина – 42 мм, диаметр – 22 мм. Корпус 8 снабжен резьбовыми отверстиями под сопло и пробку, датчик давления и воспламенительную втулку. Решетка 4 используется для предотвращения вылета топливных элементов,

Между соплом 3 и пробкой 1 располагается мембрана 2. Исследуемые пороховые элементы 5 могут размещаться в термоизолирующем вкладыше, заклеенном с торцов бумажными прокладками, если термостатирование исследуемых образцов происходит вне камеры, что позволяет производить испытания с высокой производительностью в широком диапазоне начальных температур.

Отверстия в боковой поверхности камеры позволяют устанавливать датчики давления и воспламенительную втулку с посадочной резьбой М18x1,5 и М20x1,5. Масса снаряженного модельного двигателя не превышает 4 кг. Масса заряда – от 4 до 10 г. Масса воспламенителя – 0,3 г.

Производительность работы на установке в режиме модельного ракетного двигателя – до шести экспериментов в час, при эксплуа-

101

тации установки в режиме манометрической камеры – до пятнадцати экспериментов в час.

8.5. ЗАДАНИЕ

Задание по данной работе включает в себя:

1)ознакомление с теоретическими основами внутренней баллистики РДТТ;

2)освоение методики регистрации давления в модельном ракетном двигателе в процессе горения К-систем;

3)взвешивание и обмер пороховых элементов заряда;

4)расчёт значения коэффициента v в законе горения и коэффициента температурной чувствительности по полученным регистрограммам, используя формулу (8.7), двумя способами (используя максимальное и среднее давления).

ОТЧЕТ

Отчет о работе должен содержать:

1)краткое описание работы;

2)графики с кривыми p(t) для начальных весов зарядов ω1 и ω2 при значениях температуры заряда Т0;

3)вычисленные значения коэффициентов ν и u1 в законе горе-

ния u =u1 pν и температурного коэффициента β скорости горения;

вычисленное значение температурного коэффициента стационарного давления (К);

4) заключение с численными результатами работы с указанием размерностей и погрешностей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Ассовский А.Г. Физика горения и внутренняя баллистика. –

М.: Наука, 2005.

2.Серебряков М.Е. Внутренняя баллистика артиллерийских орудий и пороховых ракет. – М.: Наука, 1961.

102

РАБОТА 9

ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ ГОРЕНИЯ ПОРОХОВ МЕТОДОМ РЕГИСТРАЦИИ ПОВЫШЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ПРИ ГОРЕНИИ В ЗАМКНУТОМ ОБЪЕМЕ

Цель: знакомство с процессом горения артиллерийских порохов в замкнутом объёме при высоких давлениях.

ВВЕДЕНИЕ

Горение порохов при выстреле из огнестрельного оружия – сложный физико-химический процессе превращения химической энергии пороха сначала в тепловую, а затем в кинетическую энергию системы «снаряд – заряд – ствол».

Закономерности процесса горения пороха и образования газов играют решающую роль в явлении выстрела. Законы горения пороха изучают в простейших условиях в манометрической камере постоянного объема, где пороховые газы не совершают внешней механической работы, а вся внутренняя энергия их идет на повышение давления и нагрев стенок камеры.

9.1.ЗАДАНИЕ

1.Рассчитать массу заряда для типовых испытаний: Pmax =

=1000 и 2000 атм, f = 1 000 000 (кг·дм)/кг.

2.Замерить толщину свода (2е1).

3.Провести калибровку канала давления.

4.Провести два сжигания. Регистрация эксперимента на компьютере с АЦП по прибору «Осциллограф».

5.Рассчитать коволюм, силу пороха и коэффициент скорости горения.

6.Построить зависимости Г(ψ) и u(р).

103

9.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ГОРЕНИЯ ПОРОХА

Классификация артиллерийских порохов на основе нитроцеллюлозы дана в работе 7.

Силой пороха f называется работа, которую могли бы совершить газообразные продукты горения 1 кг пороха, расширяясь под атмосферным давлением при нагревании их от 0 до Тν К.

Сила пороха f вычисляется по выражению: f = RT = (Pa w1Tv )/ 273,

где Pa = 1,033 кг/см3 – атмосферное давление; w1 – объем продуктов

горения одного килограмма пороха в литрах на килограмм; Тν – температура горения.

Сила НЦ порохов изменяется в пределах от 800000 до

1250000 (кг·дм)/кг.

Коволюм α – собственный объем молекул в уравнении состояния и равен ~ 0,001 м3/кг. В нормальных условиях при давлениях до 4000 атм можно считать коволюм постоянной величиной.

Единичный импульс реактивной тяги I1 составляет от 180 до

215 (кг·с)/кг.

Коэффициент скорости горения u1 в законе горения равен

0,06 – 0,12 мм/(с·атм).

Распространенные формы элементов пироксилиновых порохов представлены на рис. 9.1.

а

б

в

Рис. 9.1. Распространенные формы элементов пироксилиновых порохов: а – трубка; б – сфера; в – канальное зерно

104

9.2.2.Геометрический закон горения

1.Пороховая масса однородна, а пороховые зерна одинаковы по размерам.

105

2. Пороховые зерна воспламеняются мгновенно и одновременно. Горение идет параллельными слоями с одинаковой линейной скоростью, перпендикулярно горящим поверхностям. Этот закон применил для баллистических расчетов проф. Н.Ф. Дроздов в

1903 г.

9.2.3.Определение коэффициента скорости горения u1

Коэффициент скорости горения u1 определяется по формуле:

u1 = e1 / Iк .

Толщина пороха в заряде имеет отклонение от среднего значения в пределе допусков. Воспламенение пороховых элементов также не одновременно. Полный импульс давления соответствует сгоранию наиболее толстого элемента заряда. Поэтому для определения величины u1 надо брать импульс давления, соответствующий средней толщине е1. Для этого необходимо экстраполировать кривые I (ψ).

Для порохов со многими каналами, горящих с распадом, необходимо вычислить теоретическую величину сгоревшей доли ψр к

106

моменту распада и взять из диаграммы I от ψ значение импульса к моменту распада порохового элемента.

Теория горения порохов была сформулирована А.Ф. Беляевым и Я.Б. Зельдовичем в 1938 – 1942 гг. Распределение температуры при горении представлено зависимостью:

T =Tп exp(xu / æ ),

где æ – коэффициент температуропроводности пороха, приблизительно равен ~ 0,1 мм2/с.

Распределение температуры при горении пороха представлено в работе 7 (см. рис. 7.1). Химическая реакция с выделением основного количества тепла происходит вблизи зоны максимальной температуры. Скорость горения пороха определяется скоростью реакции в зоне выделения тепла. Характерный размер зоны прогрева составляет при 1000 атм около 1 мкм.

Зависимость скорости горения ПП от давления представлена на рис. 9.4.

U

м/с

0,1

Рис. 9.4. Зависимость скорости горения ПП от давления

Удельная интенсивность газообразования Г = (1/p)(dψ/dt), где p – давление; ψ – сгоревшая доля пороха. Г = (S·u)/V0 , где S – поверхность горения; V0 – начальный объем порохового элемента; u – скорость горения.

При анализе баллистических возможностей порохов анализируется функция Г(ψ). На рис. 9.5 представлены Г(ψ) для длинной трубки, семиканального зерна и сферы.

107

Рис. 9.5. Зависимость Г(ψ) от сгоревшей доли пороха для: а – длинной трубки; б – семиканального зерна; в – сферы; г – флегматизированного зерна

Прогрессивные пороха характеризуются увеличением газоприхода, а дегрессивные пороха – уменьшением газоприхода при горении.

Трубчатые и ленточные пороха горят с небольшим уменьшением поверхности и потерей формы после сгорания 85 – 95 % пороха.

Скорость горения определяется удельной интенсивностью газообразования и геометрическим законом горения по формуле:

u = Г(ψ)V0/S,

где V0 – объем порохового зерна.

9.2.4. Дифференциальный метод определения характеристик процесса горения порохов в манометрической камере

В 1870 – 77 гг. Нобль и Абель дали зависимость максимального давления от плотности заряжания:

Pmax = f ∆/(1 – α ∆),

где f – сила пороха; ∆ – плотность заряжания; α – коволюм пороховых газов.

108

На рис. 9.6 представлены зависимости Р(t) для разных плотностей заряжания трубчатого пороха в манометрической камере.

Р

P

t

Рис. 9.6. Зависимость давления в манометрической камере от времени: 1) ∆ = 0,25 г/см3, 2) ∆ = 0,2 г/см3, 3) ∆ = 0,15 г/см3

Сгоревшую долю пороха можно связать с текущим давлением при допущении отсутствия теплопотерь:

Ψ = β/β(1 – δ) + δ,

где δ – параметр заряжания; δ = 1 – α∆/1 – ∆/ρ, а β – относительное давление; β = (Р – Рв)/(Рм – Рв); α – коволюм; ρ – плотность пороха.

Плотность заряжания ∆ = ωз/w0, где ωз – масса заряда; w0 – объем манометрической камеры. Для баллистического анализа горения порохов удобно использовать Г-функцию, определяемую как:

Г= dψ / dt 1 / p .

Впредположении линейного закона горения:

u1Γ = Su /V0 ,

а

S = ΓV0 / u .

Производная сгоревшей доли находится через экспериментально определяемую зависимость dβ/dt:

dψ/dt = (δ dβ/dt)/(β(1 – δ) + δ)2.

109

9.3. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Установка «Манометрическая камера» представляет собой экспериментально – измерительный стенд в лаб. И-308. Блок-схема установки представлена на рис. 9.7.

Рис. 9.7. Блок-схема установки «Манометрическая камера»: 1 – дистанционный пульт; 2 – трансформатор; 3 – манометрическая камера; 4 – датчик давления; 5 – вентиль; 6 – усилитель; 7 – имитатор сигнала; 8 – вольтметр

Дистанционный пульт подрыва 1 снабжен сигнальной лампой исправности цепи подрыва и питается от трансформатора 2 напряжением 12 В.

Усилитель 6 вырабатывает синхроимпульс запуска и усиливает сигнал давления с датчика давления 4. Калибруется канал давления имитатором полезного сигнала 7, вольтметром 8 и емкостью Ск.

Регистрируется сигнал с помощью АЦП L-783, установленной в компьютере на шине РСI. Основные параметры АЦП L-783:

1)время преобразования – 300 нс;

2)разрядность – 12;

3)максимальное входное напряжение – от ± 5 до 0,6 В;

4)число каналов – до 16;

5)программное обеспечение – Powergraf.

Схема манометрической камеры представлена на рис. 9.7. Корпус 7 выполнен из стали 40Х. Канал вентиля заполнен консистентной смазкой, а канал датчика давления – жидкой. Уплотнение затвора осуществляется медными прокладками 3 в конусном зазоре между пробкой и цилиндрической поверхностью корпуса камеры. Вентиль 5 служит для выпуска продуктов сгорания.

110