Механизмы и характеристики зажигания гелеобразных топлив

Среди большого разнообразия конденсированных веществ, применяемых в качестве топлив, можно выделить твердые, жидкие и гелеобразные. Последние в настоящее время менее широко распространены на практике. Причиной этого является отсутствие общей теории зажигания и горения таких топлив, которая достаточно хорошо развита для твердых и жидких конденсированных веществ [1–5]. Физико-химические процессы, протекающие при зажигании и горении таких топлив, подробно изучены. Разработаны математические модели, например [6–10], которые позволяют достоверно прогнозировать основные характеристики их горения и использовать эти результаты при проектировании камер сгорания двигателей и энергоустановок, оптимизации режимов их функционирования. Разработка теоретических основ технологий энергогенерации при сжигании гелеобразных топлив невозможна без проведения фундаментальных исследований закономерностей протекания процессов зажигания и горения, а также определения их основных характеристик. Необходимость таких исследований и последующего практического применения объясняется существенными [11] преимуществами гелеобразных топлив в сравнении с другими типами конденсированных веществ.
Гелеобразные топлива по сравнению со смесевыми твердыми топливами имеют более высокие энергетические характеристики, в частности удельный импульс более 350 секунд тяги при усилии в 1 кг на 1 кг горючего [12]. Замена смесевого твердого топлива на гелеобразное топливо может позволить на практике относительно просто реализовать динамическое управление тягой двигателя во времени [11]. Также гелеобразные топлива по сравнению, например, с жидкими имеют менее высокие показатели пожарной опасности из-за относительно малых потерь на испарение и утечки при хранении [11]. Компоненты гелеобразных топлив и продукты их сгорания характеризуются, как правило, меньшим негативным воздействием
4
на окружающую среду по сравнению с типичными жидкими ракетными топливами [13]. Стоит отметить, что на практике гелеобразные топлива могут стать альтернативой смесевым твердым ракетным топливам. В состав последних входят два основных компонента – горючее и окислитель. Зажигание и последующее горение зарядов таких топлив происходит на открытой поверхности или в условиях газификации и диспергирования топливного заряда. Аналогичная схема работы двигателя (в первую очередь прямоточного воздушно-реактивного) может быть реализована при применении гелеобразных топлив. Эффект загущения отдельных компонентов (например, перспективных горючих или окислителей в жидком агрегатном состоянии) может стать основой для приготовления гелеобразных топливных составов, причем процессы плавления компонентов таких топлив (в отличие от газификации широко распространенных твердотопливных компонентов) и дальнейшего диспергирования частиц (или капель расплава) после попадания в камеру сгорания могут существенно интенсифицировать
процесс выгорания топлива и повысить энерговыделение в единицу времени. Реологические и физико-механические характеристики гелеобразных топлив могут достаточно существенно отличаться [11]. В зависимости от назначения и этапов жизненного цикла их состояние может изменяться – от жидкого с высокой вязкостью (например, на этапе приготовления топливных эмульсий) до твердого (например, на этапах хранения и применения, в том числе при низких температурах). В последнем случае основным отличием гелеобразного топлива от смесевого твердого топлива является другая совокупность физико-химических процессов, протекающих при нагревании. Например, при прогреве типичного смесевого твердого топлива на основе перхлората аммония и бутилкаучука (или других аналогичных компонентов) экзотермическое взаимодействие горючего компонента и окислителя происходит в прогретой области приповерхностного слоя [14]. Протекающие в течение индукционного периода процессы достаточно хорошо

5
описываются в рамках математической модели твердофазного зажигания
конденсированного вещества [14, 15].
Для гелеобразного топлива характерно газофазное зажигание. При
нагревании топлива протекают фазовые переходы (плавление и испарение), а горючая смесь формируется в результате смешения паров топлива с газообразным окислителем [16] или парами окислителя, который также входит в состав топлива. Для прогнозирования характеристик процессов газофазного зажигания гелеобразных топлив необходимы соответствующие физические и математические модели, которые должны достаточно существенно отличаться, например, от моделей зажигания твердых [14, 15] и жидких [17, 18] конденсированных веществ. Разработка таких прогностических моделей невозможна без установления достоверных механизмов и характеристик процессов зажигания и горения гелеобразных топлив.
Экспериментальные исследования этих процессов при разработке новых топлив представляют достаточно сложную задачу. Метрологическое обеспечение на высоком уровне экспериментов по изучению взаимосвязанных физико-химических процессов, одновременно протекающих в конденсированной фазе и газовой среде, во многих случаях трудно реализуемо на практике, например, вследствие относительно малых значений времен задержки зажигания, а также характерных размеров областей протекания интенсивных процессов тепломассопереноса, фазовых превращений и химического реагирования. Достаточно существенные ограничения требуют разработки современных экспериментальных методик, основанных на применении высокоскоростных программно-аппаратных средств регистрации характеристик быстропротекающих процессов. Результаты таких экспериментальных исследований представляют основу для разработки новых моделей зажигания, адекватно описывающих закономерности и достоверно прогнозирующих характеристики процесса.

6
При разработке новых топлив большое внимание уделяется решению
проблемы их энергоэффективного и устойчивого зажигания. В настоящее время для инициирования горения твердотопливных зарядов в зависимости от их массогабаритных характеристик используют пиротехнические или пирогенные воспламенительные устройства [12, 19, 20]. Принцип действия энергоэффективного воспламенительного устройства гелеобразного топлива может быть основан, например, на локальном кондуктивном подводе энергии к топливному заряду небольшой группой источников ограниченного теплосодержания [11]. Предполагается, что основным преимуществом таких воспламенительных устройств по сравнению с пирогенными воспламенительными устройствами, принцип действия которых основан на зажигании основного топливного заряда горячими газообразными продуктами сгорания воспламенительного заряда, будут являться меньшие массогабаритные характеристики. Такой положительный эффект, несомненно, будет способствовать увеличению массы полезного груза ракеты-носителя. Применение же на практике пиротехнических воспламенительных устройств для зарядов гелеобразных топлив требует научного обоснования. Принцип действия таких устройств при твердофазном зажигании смесевых топлив основан на кондуктивном нагреве конденсированного вещества теплотой, выделяющейся в результате пропускания электрического тока через металлическую спираль, расположенную в приповерхностном слое топлива [19, 20]. Зажигание гелеобразного топлива происходит в газовой среде после формирования горючей газовой смеси. В таких условиях теплоты, кратковременно выделяющейся разогретой спиралью в конденсированной фазе, может быть недостаточно для формирования и воспламенения горючей газовой смеси.
В рамках другого направления практического применения гелеобразных топлив (в качестве горючего в прямоточных воздушно-реактивных двигателях или при факельном сжигании композиционных топлив в топках котлов) сделан вывод [11, 21–25] о существенно разных закономерностях

7
физико-химических процессов, протекающих при нагревании гелеобразных топлив и горючих жидкостей в обычном состоянии (на основе которых приготовлены гелеобразные топлива). При прогреве капли жидкого топлива интенсифицируется испарение с ее поверхности. Даже в условиях нагрева при относительно высоких температурах окружающей среды, например более 927oС, вследствие протекания процесса испарения размер капли уменьшается монотонно [21–24]. Это достаточно хорошо описывается в рамках линейной зависимости изменения квадрата диаметра капли горючей жидкости от времени прогрева и последующего выгорания компонентов топлива [21–24]. В окрестности капли формируется парогазовая смесь, которая зажигается при достижении предельных по температуре и концентрации условий. При воспламенении частиц гелеобразных топлив в течение индукционного периода реализуется другая совокупность физико- химических процессов [16]. В большей мере это связано с многокомпонентным составом топлива и в меньшей степени с его агрегатным состоянием в начальный момент времени. Если первый фактор является причиной диспергирования капель расплава гелеобразного топлива, то второй фактор ведет к увеличению времени задержки зажигания вследствие протекания эндотермического процесса плавления топлива на начальном этапе прогрева частицы. Диспергирование (как частичное, так и полное) капли расплавленного топлива, интенсифицирует процесс его выгорания [16, 23–28]. В отличие от жидких однокомпонентных топлив горючие пары начинают гореть не в малой окрестности капли, а в достаточно большой по размерам области, что положительно влияет на развитие
процесса.
В связи с перечисленными выше перспективами применения
гелеобразных топлив для решения широкого круга задач основные актуальные проблемы фундаментального характера состоят в разработке способов приготовления топливных составов на основе разных компонентов, определении их реологических и физико-механических характеристик, а

8
также установлении механизмов и характеристик процессов зажигания и
горения топливных составов при разных условиях подвода теплоты.
Целью работы является установление по экспериментальных исследований закономерностей
характеристик, условий) зажигания группы ранее
перспективных составов гелеобразных топлив на основе неорганических и полимерных органических загустителей, в том числе структурно- неоднородных, содержащих твердые мелкодисперсные горючие частицы, при лучисто-конвективном и локальном кондуктивном нагреве.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
1. Экспериментальное обоснование возможности приготовления группы перспективных составов (пластично и упруго деформируемых) гелеобразных топлив, в том числе содержащих мелкодисперсные твердые горючие компоненты, и определение для этих составов реологических и физико- механических характеристик первичных топливных эмульсий и пеллет, соответственно.
2. Разработка экспериментальных методик, отличающихся от известных использованием программно-аппаратных комплексов высокоскоростной видеорегистрации быстропротекающих процессов, малоинерционной контактной регистрации температуры, для исследования процессов зажигания гелеобразных топлив при нагревании одиночных частиц в высокотемпературной среде окислителя и при взаимодействии топливных зарядов с локальными источниками нагрева с конечным запасом энергии.
3. Определение по результатам экспериментальных исследований процессов зажигания и горения группы перспективных составов гелеобразных топлив на основе этанола, керосина, дизельного топлива, отработанного масла, в том числе с добавлением мелкодисперсных твердых горючих частиц основных характеристик и условий зажигания таких топлив.
результатам (механизмов, неизученных

9
4. Установление механизмов зажигания гелеобразных топлив в широких
диапазонах варьирования параметров группы значимых факторов (температура источника нагрева, начальная температура топлива, компонентный состав топлива, начальный размер топливных частиц).
5.Разработка физических моделей процессов зажигания и горения гелеобразных топлив при нагреве одиночных частиц топлива в высокотемпературной среде окислителя и локальном кондуктивном нагреве топливных пеллет источником ограниченного теплосодержания.
Научная новизна работы. Впервые на основании результатов выполненного цикла экспериментальных исследований, состоящего в обосновании возможности приготовления топливных составов, определении реологических характеристик эмульсий и суспензий и физико-механических характеристик пеллет, установлении основных закономерностей и определении значимых характеристик процессов инициирования горения, разработана группа физических моделей зажигания гелеобразных топлив на основе этилового спирта, керосина, дизельного топлива, отработанного масла нефтяного происхождения, в том числе с добавлением мелкодисперсных твердых горючих компонентов, описывающих физико-химические процессы, протекающие при нагреве частиц топлива (или капель расплава) в высокотемпературной среде окислителя и при локальном кондуктивном нагреве топливных пеллет источником с конечным запасом энергии.
Теоретическая значимость. Результаты выполненных экспериментальных исследований представляют собой новые знания о механизмах и характеристиках протекания физико-химических процессов в теории горения конденсированных веществ, а также являются основой для разработки и верификации предполагаемых к разработке математических моделей и алгоритмов численного решения задач зажигания и горения группы перспективных гелеобразных топлив при разных механизмах подвода теплоты.