A study of the ignition and combustion of high-density charges under constant volume conditions.pdf Введение Исследование горения и воспламенения зарядов из перспективных топлив или пороховых составов в зависимости от начальных условий является актуальной задачей современной баллистики. Большинство исследований по горению и воспламенению зарядов проводят в манометрической бомбе [1-4]. Условия, при которых происходит воспламенение заряда, могут оказывать влияние на протекающие в дальнейшем реакции. При баллистическом проектировании выстрела с новым зарядом необходимо знать, чем определяется момент воспламенения (давлением газа, временем, скоростью нарастания давления, типом воспламенителя и т.п.) и какие факторы больше влияют на процесс воспламенения [5-8]. В настощей работе модельное пастообразное топливо (МВТ) имеет плотность около 1.6 г/см3, за счет чего может достигать более высокой плотности заряжания в баллистических установках - до 1.5-1.6 г/см3 - по сравнению с пироксилиновыми порохами (< 1.0 г/см3). Данные топлива из-за своей высокой скорости горения могут быть использованы в комбинированной схеме заряжания в качестве присоединенного заряда (ПЗ). В выстреле, как правило, ПЗ воспламеняется позже порохового заряда, и момент воспламенения может оказывать значительное влияние на баллистические параметры выстрела. Раннее воспламенение приводит к превышению давления, позднее - к недогоранию топлива за время выстрела. Влияние большинства факторов на воспламенение можно оценить в условиях манометрической бомбы. В работе рассматривалось горение МВТ при нормальной температуре, в опыте оно размещалось в цилиндрическом текстолитовом контейнере. Исследовалось влияние типа и массы порохового заряда, площади поверхности горения на воспламенение МВТ. Экспериментальное исследование Экспериментальное исследование особенностей зажигания МВТ проводилось в манометрической бомбе, внешний вид которой представлен на рис. 1. Максимальное давление, на которое рассчитана данная установка, - 300 МПа. Свободный объем камеры составляет 172 см3 и представляет собой цилиндр, в котором сверху располагается воспламенитель - электрокапсюльная втулка (ЭКВ). Для снижения ударного воздействия от ЭКВ на исследуемый состав предусмотрена специальная конструкция гайки с отверстиями по бокам. В бомбе предусмотрены технологические отверстия для установки датчиков давления в двух различных сечениях, запальной пробки и крана для выпуска горячих газов. Сброс давления из камеры осуществляется в выпускной тракт дистанционно при помощи троса, намотанного на шкив крана. Схема размещения контейнера с топливом и порохового заряда в манометрический бомбе показана на рис. 1 Экспериментально обнаружено, что создаваемого ЭКВ давления для стабильного воспламенения МВТ недостаточно. Поэтому проведена серия опытов по исследованию массы дополнительного порохового заряда, способного повысить стабильность воспламенения МВТ. В серии опытов заряд МВТ одинаковой массы располагался в цилиндрических контейнерах одинаковой формы, но с разными навесками порохового воспламенителя. 125 Механика / Mechanics а ЭК г * порох А А л . Шк 1 і >>>. ДД b c Рис. 1. Внешний вид манометрической бомбы (а), схема рабочей камеры с зарядом (b), внешний вид текстолитовых контейнеров (c) Fig. 1. (а) Configuration of a closed vessel, (b) scheme of a working chamber with a charge, and (c) configuration of textolite containers В работе исследовано воспламенение МВТ массой 16.5 г в текстолитовом контейнере диаметром 25 мм (см. рис. 1, c), при этом масса воспламенителя из пироксилинового пороха марки «Ирбис» варьировала от 1 до 10 г. Для определения влияния начальной поверхности на воспламенение МВТ проведены опыты с контейнерами диаметрами от 10 до 40 мм. С учетом свободного объема манометрической бомбы давление, формируемое воспламенителем ЭКВ, составляет р0 = 2 МПа. Для массы воспламенительного заряда пороха юв = 2.5 г давление, формируемое в манометрической бомбе, составляет до 18 МПа, при этом весь пороховой заряд успевает сгореть полностью до начала момента горения МВТ. Для более точного определения закона горения МВТ в серии предварительных экспериментов определен закон горения порохов [4]. На рис. 2 представлено сравнение экспериментальных зависимостей давления от времени при горении МВТ в текстолитовом контейнере с внутренним диаметром d = 25 мм при различных массах дополнительного порохового воспламенителя (1, 2.5, 5, 10 г). Видно, что после сгорания пороховой части заряда (в начале каждой кривой) происходит падение давления, а затем снова рост. На рис. 3 (в приближенном масштабе) показан момент воспламенения для опыта с юв = 2.5 г, момент времени tB, когда dp/dt = 0, с определенной точностью можно считать началом горения МВТ, здесь t0 - момент срабатывания ЭКВ. В проведенных опытах время и давление воспламенения различны, поэтому нельзя говорить о воспламенении при определенном уровне давления. Для характеристики воспламенения используем величину интеграла % Ів =J pdt, (1) которую будем называть импульсом воспламенения. Для этой серии опытов импульс воспламенения составляет примерно 0.65 МПа-с. Импульс воспламенения МВТ не является физической характеристикой МВТ. 126 Рогаев К.С., Дьячковский А.С., Ищенко А.Н. и др. Исследование особенностей зажигания и горения t, с Рис. 2. Экспериментальная зависимость давления от времени при горении МВТ в текстолитовом контейнере с диаметром d = 25 мм при массе порохового воспламенителя: --1 г,......- 2.5 г, - • - • - • - - 5 г,------10 г Fig. 2. Experimental pressure-time dependence for MHDP combustion in a textolite container with a diameter of d = 25 mm at the mass of the powder igniter of: --1 g,......- 2.5 g,--------5 g, and------10 g P, МП dp/dt, МПа/мс 0.96 0.98 1.0 1.02 1.04 1.06 1.08 1.10 t, с Рис. 3. Экспериментальная зависимость давления от времени (......) и его производная при воспламенении МВТ (-) при горении пороха Fig. 3. Experimental pressure-time dependence (......) and pressure derivative with time for MHDP combustion (----) during powder combustion 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 .2 Скорость горения топлива определялась по формуле (2) d уп V ~dT~S' где V - объем МВТ; S - площадь поверхности горения; уп - доля сгоревшего МВТ. Значение yn(t) определялось на основании экспериментальной зависимости p(t) с учетом горения пороха воспламенителя по формуле [1] ( р - Ро ) W -^ -«в»в 8П /вюв (р - Ро)| «П Jron + ІП ЮП где индекс «В» для пороха, «П» - для исследуемого МВТ; W1 - свободный объем манометрической бомбы; юП - масса МВТ; аВ - коволюм пороха; ап - коволюм МВТ; /в - сила пороха; /п - сила МВТ; 8л - плотность МВТ. 127 Механика / Mechanics Длительность процесса горения в манометрической бомбе порядка 1.0 с, что приводит к существенным теплопотерям в стенки камеры, однако они не оказывают влияния на зависимость скорости горения от давления. При этом в расчете доли сгоревшего МВТ необходимо использовать не паспортные значения силы топлива, а определенные по значению pmax [1]. Производная dy/dt определялась численным дифференцированием. Зависимости скорости горения МВТ от давления, полученные по формуле (2), в этих опытах практически совпадают (рис. 4), что говорит о том, что время воспламенения не влияет на дальнейшее горение топлива. При одном типе воспламенителя разной массы в цилиндрических контейнерах одного диаметра можно определить характерный импульс воспламенения. и, мм/мс 0 30 60 90 120 150 180 р, МПа Рис. 4. Зависимость скорости горения от времени при горении МВТ в текстолитовом контейнере с диаметром d = 25 мм при массе порохового воспламенителя: --1 г,......- 2.5 г, - • - • - • - - 5 г,------10 г Fig. 4. Time dependence of the combustion rate during MHDP combustion in a textolite container with a diameter of d = 25 mm for the mass of the powder igniter of: --1 g,......- 2.5 g,--------5 g, and------10 g Для исследованных в качестве дополнительного воспламенителя пироксилиновых пороховых зарядов - одноканальных и семиканальных («Ирбис», «Сунар», «4/7»), получены ожидаемые результаты: при одном типе (форме) контейнера и одинаковых компоновках заряда МВТ и порохового воспламенителя импульс воспламенения и скорости горения МВТ практически одинаковы. Воспламенение МВТ при недогоревшем дополнительном пороховом заряде определялось с использованием зависимости доли сгоревшего пороха от интеграла давления [9]. На рис. 5 показана экспериментальная зависимость давления от времени при горении МВТ в текстолитовом контейнере при различном воздействии воспламенителя ЭКВ. В одном случае произведено непосредственное воздействие ударной волны и горячих частиц на поверхность МВТ, в другом воздействие производилось через рассеиватель. Видно, что при непосредственном воздействии на МВТ его горение начинается раньше по времени (импульс горения уменьшился до 0.065 МПа-с), однако при этом скорость горения, полученная по формуле (2), не меняется (рис. 6). Кроме того, это сравнение показывает существенное влияние горячих частиц ДРП на воспламенение МВТ. Проведена серия опытов с одинаковой навеской МВТ и порохового воспламенителя, но с текстолитовым контейнером разного диаметра (рис/ 7). Из экспериментов видим, что в контейнерах большего диаметра уменьшается импульс 128 Рогаев К.С., Дьячковский А.С., Ищенко А.Н. и др. Исследование особенностей зажигания и горения воспламенения, при этом увеличивается максимальное давление за счет уменьшения теплопотерь при меньшем времени процесса горения. 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 t, с Рис. 5. Экспериментальная зависимость давления от времени при горении МВТ в текстолитовом контейнере:-----с рассеивателем,......- без рассеивателя Fig. 5. Experimental pressure-time dependence of MHDP combustion in a textolite container:------with a diffuser and......- without a diffuser 0 20 40 60 80 100 120 p, МПа Рис. 6. Зависимость скорости горения МВТ от давления: -----с рассеивателем,......- без рассеивателя Fig. 6. Dependence of MHDP combustion rate on pressure: ------with a diffuser and......- without a diffuser t, с Рис. 7. Экспериментальная зависимость давления от времени при горении МВТ в текстолитовом контейнере с диаметром:.....- 25 мм;---30 мм------40 мм Fig. 7. Experimental pressure-time dependence of MHDP combustion in a textolite container with a diameter of:.....- 25 mm,---30 mm, and------40 mm 129 Механика / Mechanics Рис. 8. Расчетная зависимость импульса воспламенения от L/S Fig. 8. Calculated dependence of the ignition momentum on L/S Видно, что существует зависимость импульса воспламенения от отношения длины окружности поверхности горения L к площади поверхности горения S (рис. 8). То есть чем меньше влияние боковой поверхности, тем быстрее воспламеняется МВТ. Возможно, это связано с оттоком тепла в стенку контейнера во время нагрева поверхности продуктами горения пороха. Заключение В результате проведенных параметрических экспериментальных исследований получено, что условия воспламенения МВТ в значительной степени зависят от способа инициации (количество горящих частиц, окружающее давление), однако данные факторы не влияют на зависимость скорости горения МВТ от давления. Отмечено, что существует зависимость импульса воспламенения от отношения длины окружности поверхности горения контейнера к площади поверхности горения. Полученные особенности зажигания и горения МВТ необходимо учитывать при баллистическом проектировании компоновки заряда в выстреле из стольных баллистических систем.

Скачать электронную версию публикации