Аксенов Лабораторный практикум по физике 2007

Температурное распределение (7.1) называют распределением В.А. Михельсона.

За характерную толщину прогретого слоя конденсированной фазы х* принимают расстояние от поверхности, удовлетворяющее условию:

Рис. 7.1. Распределение температуры при горении пороха: 1 – порох; 2 – зона пиролиза; 3 – пародымогазовая зона; 4 – зона максимального тепловыделения; 5 – продукты горения

На рис. 7.1 представлено распределение температуры в горящей КС. В зоне 1 зависимость (7.1) выполняется достаточно точно. Прогретый до максимально возможной температуры слой 2 конденсированной фазы заштрихован. В этой зоне 2 происходит разложение и испарение конденсированной фазы в газовую фазу с диспергированием части КС. Распределение температуры в газовой зоне 3 соответствует зависимости (7.1), но с другими теплофизическими характеристиками.

В зоне 4 происходит выделение основного количества тепла, запасённого в КС.

Зона 5 – область продуктов горения без существенных эндо- и экзотермических реакций.

Из выражения (7.4) видно что толщина прогретого слоя определяется не только теплофизическими свойствами пороха, но и условиями горения, влияющими на скорость горения. Важнейшим фак-

81

тором, определяющим х*, является давление Р, от которого зависит скорость горения.

7.2. ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ ГОРЕНИЯ ОТ ДАВЛЕНИЯ

Зависимость скорости горения от давления и(р) является весьма существенной, наиболее значимой в практическом отношении. Кроме того, она является одной из двух теоретических зависимостей, следующих из рассмотрения конкретного механизма горения. Одновременно она определяет саму возможность устойчивого горения конденсированных систем в условиях полузамкнутого объема (камера ракетного двигателя на твердом топливе – РДТТ).

В силу этого зависимость скорости горения от давления и(р) часто называют законом горения. В наиболее общем виде, пригодном для большинства конденсированных систем, эмпирическая зависимость скорости горения от давления и(р) представляется в виде 3-членной зависимости:

u = u0 + apn,

где u0, a, n – постоянные, определяемые природой конденсированной системы. Однако в большинстве случаев используют более

простую зависимость:

u = bpν,

где число постоянных ν, b сведено к двум (XIX в., Вьель, СенРобер).

Это соотношение менее универсальное, чем предыдущее, тем не менее для большинства используемых на практике порохов и ТРТ в интервале давлений, характерных для ракетной техники (40 – 100 атм), экспериментальные результаты удовлетворительно описываются этим соотношением. Кроме того, такую связь удобно использовать в расчётах внутренней баллистики.

Постоянные ν и b получают путем представления экспериментальных данных по зависимости скорости горения от давления в логарифмических координатах, если, конечно, эти данные ложатся на прямую линию:

tgα = d lnu/d lnp = ν.

82

lnu

α

Рис. 7.2. Зависимость скорости горения от давления в логарифмических координатах

Величина b определяется величиной отрезка lnb, отсекаемого прямой на оси lnu рис. 7.2. Величина b может быть определена и из соотношения b = ui/piν после того, как определена величина ν.

Величина ν характеризует темп изменения скорости горения с изменением давления:

ν = (du/u)/(dp/p).

Из двух констант ν и b наиболее важным является показатель степени ν, определяющий устойчивость горения конденсированных систем в условиях полузамкнутого объема (камера РДТТ).

Для режима послойного горения величина показателя степени ν меньше или равна 1.

Согласно современным представлениям, скорость горения конденсированных систем определяется скоростью химической реакции в зоне ведущей реакции. Физической причиной, приводящей к увеличению скорости горения с давлением, является увеличение абсолютной скорости химической реакции с ростом давления из-за повышения концентрации реагентов в зоне химической реакции. При этом зона химической реакции приближается к поверхности конденсированной фазы, что приводит к росту градиента температуры и, соответственно, к увеличению теплопередачи еще не прореагировавшему слою пороха.

Передача энергии химического превращения от слоя к слою, т.е. распространение процесса горения осуществляется путем теплопередачи от нагретых продуктов горения свежему соединению за

83

счет теплопроводности, конвекции или излучения. Характер горения конденсированных систем существенно зависит от вида теплопередачи.

Горение, распространяющееся послойно от поверхности в глубь вещества за счет теплопроводности, называется кондуктивным (послойным или горением параллельными слоями). Для исключения возможности конвекции обычно на боковую поверхность образца системы наносят тонкий слой бронировки (соединение, которое или совсем не горит, или горит со скоростью, много меньшей скорости горения исследуемой конденсированной системы). Иногда роль бронировки выполняет труба (гильза), в которую запрессовывается образец (обычно геометрия конденсированных систем, применяемых в практике научного исследования, – удлиненный цилиндр).

Законы послойного горения конденсированных систем исследованы наиболее подробно. Отметим, что основная стадия горения порохов или (С)ТРТ в условиях камеры баллистического устройства или же камеры РДТТ представляет собой послойное горение, хотя конструктивные особенности пороховых элементов и твердотопливных зарядов (наличие каналов) приводят к некоторым особенностям, которые не наблюдаются в случае простейшей геометрии, когда суммарная поверхность горения не меняется с течением времени.

7.3. КЛАССИФИКАЦИЯ АРТИЛЛЕРИЙСКИХ ПОРОХОВ НА ОСНОВЕ НИТРОЦЕЛЮЛОЗЫ (НЦ)

НЦ пороха представляют собой гомогенные системы, являющиеся пластифицированными и уплотненными нитратами целлюлозы.

НЦ получают при нитрации целлюлозы – древесной или хлопковой клетчатки азотной кислотой. НЦ – высокомолекулярное соединение с содержанием азота 11 – 14 %. НЦ с содержанием азота более 12 % называется пироксилином и представляет собой коротковолокнистый порошок светло-желтого цвета, горящий с переходом во взрыв. Получение порохов основано на пластификации НЦ при воздействии растворителей и пластификаторов.

Пироксилиновые пороха пластифицируются спиртоэфирным растворителем, который удаляется в технологическом процессе.

84

7.4. БАЛЛИСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПИРОКСИЛИНОВЫХ ПОРОХОВ (ПП)

Баллиститы – пороха с нелетучим растворителем – пластификатором, обычно – нитратом многоатомного спирта, например нитроглицерином, нитрогликолем.

Пироксилиновые пороха (ПП) представляют собой полимер со слабоориентированной разветвленной структурой и слабовыраженной термопластичностью. Средняя плотность пороха 1600 кг/м3 или 1,6 г/см3. Кислородный баланс ПП – отрицательный. Основные продукты горения CO, CO2, H2O, N2, H2, возможно образование CH4 и NO.

Объем газообразных продуктов сгорания при 0 ºC и 760 мм рт. ст. и парообразной воде – от 0,8 до 1 м3/кг. Теплота сгорания

Qкал.ж от 600 до 1250 ккал/кг.

Температура горения Т1 НЦ порохов изменяется в пределах от 2400 – 3800 К, а Т0 – температура горения при постоянном давлении – в пределах от 1900 до 3000 К.

7.5. КАМЕРА ПОСТОЯННОГО ДАВЛЕНИЯ

Камера постоянного давления (КПД) предназначена для испытания порохов до давления 150 атм. Блок-схема КПД представлена на рис. 7.3. Камера 1 снабжена крышкой – главным затвором 2, датчиком давления 3, манометром 4 и вентилями для напуска и выпуска рабочего газа, находящегося в баллоне 7 и крышке камеры 2.

Сигнал от датчика давления поступает на зарядовый усилитель 5, преобразуется в напряжение и регистрируется АЦП L-783 в составе компьютера 6. На крышке камеры установлена кассета 9 на 10 образцов пороха диаметром до 10 мм.

Напряжение 12 В подается на нихромовую спираль образца с пульта 8, имеющего переключатель на десять каналов и тумблер зажигания. Пульт обеспечивает зажигание образцов в произвольном порядке. Сигнал зажигания поступает также на усилитель СИ, запускающий регистрацию.

Регистрация представляет собой запись изменения давления от времени. Начальное давление фиксируется по образцовому манометру. Типичная осциллограмма представлена на рис. 7.4.

85

7.6.СБОРКА ОБРАЗЦОВ

Вданной работе испытываются образцы пороха трубчатой формы. Схема сборки образца показана на рис. 7.5. В отверстие образца вставлена нихромовая спираль. Внешняя и торцевая поверхности образца забронированы для защиты от воспламенения. Для улучшения воспламенения внутренний канал может быть заполнен воспламенительным составом. Такая схема сжигания образцов обеспечивает увеличение поверхности горения в 2 – 3 раза к концу горения. Это позволяет увеличить точность определения момента конца горения.

3

2

4

2е1

1

Рис. 7.5. Схема сборки образца пороха трубчатой формы: 1 – порошина; 2 – бронировка; 3 – нихромовая спираль; 4 – пыж для защиты от внешнего воспламенения

7.7.ЗАДАНИЕ

1.Ознакомиться с регистратором и установкой и рассчитать установочные параметры регистратора и манометра.

2.Напилить и обмерить образцы.

3.Собрать пять образцов.

4.Собрать сборку и проверить цепи зажигания.

5.Прокалибровать канал давления.

6.Провести сжигание под давлением.

7.Обработать регистрации давления.

8.Определить постоянные в законе давления u = u0 + apn.

9.Определить постоянные в законе давления u = bpν.

87

ОТЧЕТ

Отчет о работе должен содержать:

1)описание работы;

2)графики давления;

3)график lnu (lnp);

4)заключение с формулой закона горения и оценкой погрешности значений полученных постоянных.

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.

88