Зажигание структурно-неоднородных (металлизированные смесевые, гелеобразные и диспергированные топлива) конденсированных веществ и полимерных материалов при локальном нагреве

В последнее время в России, США, Китае, Индии, Японии и некоторых
других странах предпринимаются активные попытки создания новых устройств
для освоения ближнего и дальнего космоса. Успешная реализация такой
программы позволит государству занимать лидирующие позиции на мировом
рынке космических технологий. Одним из наиболее перспективных направлений
развития ракетно-космической отрасли является разработка новых рецептур
твердых и гелеобразных топлив [1–12], а также создание энергоэффективных
систем инициирования их горения [13–18], принцип действия которых может
быть основан, например, на локальном подводе энергии к конденсированному
веществу (КВ) источниками ограниченного теплосодержания – разогретыми до
высоких температур металлическими или неметаллическими частицами малых
размеров. В соответствии с этим направлением можно выделить специальные
двигательные установки [19–21], которые объединяют большую группу
устройств, предназначенных для зажигания высокоэнергетических материалов.
Как правило, основными компонентами [22, 23] таких топлив являются
неорганический окислитель, органическое высокомолекулярное горючее-
связующее и специальные добавки, например, порошки металлов.
Разработка и изготовление новых рецептур топливных композиций является
весьма трудоемким процессом [23]. В свою очередь экспериментальное
исследование характеристик воспламенения при работе реальной двигательной
установки представляет достаточно сложную задачу, метрологическое
обеспечение высокого уровня которой во многих случаях нереализуемо на
практике. Все это создает трудности для экспериментального определения
условий зажигания новых топлив с минимальными задержками и затратами
энергии. Например, весьма дорогостояща реализация методов контроля процессов
теплопереноса в конденсированной фазе и газовой среде, а также полей
температур и концентраций горючего и окислителя в окрестности зоны зажигания
в течение быстропротекающего индукционного периода. Поэтому численное
моделирование физико-химических процессов, возможно, является одним из
наиболее эффективных способов прогноза, достоверно описывающих
характеристики инициирования горения топлив одиночными нагретыми до
высоких температур частицами.
Стоит отметить, что современные твердые ракетные топлива, как правило,
имеют неоднородную структуру, частью которой являются мелкодисперсные
частицы металла [22–26]. Такой компонент в полимерной матрице повышает ее
эффективную теплопроводность. На стадии инертного прогрева
приповерхностного слоя топлива это способствует развитию устойчивого
зажигания с последующим переходом в стационарное горение. Весьма
существенной проблемой при теоретическом изучении характеристик зажигания
таких топлив является отсутствие методов математического моделирования в
явном виде неоднородной структуры гетерогенных КВ с «разрывами»
теплофизических характеристик на границе контакта компонентов (полимерная
матрица – металл). Для решения данной проблемы можно использовать модели
гомогенной структуры вещества с усредненными теплофизическими
характеристиками [27–51]. Однако такой подход не гарантирует достоверного
определения характеристик быстропротекающих процессов зажигания топлив,
особенно в условиях существенного отличия (в десятки и даже сотни раз)
теплофизических характеристик компонентов (полимерная матрица и металл).
Наряду с широко используемыми [1–6] смесевыми твердыми топливами
(СТТ) многие годы перспективными считаются [7–12] гелеобразные топлива. В
состав таких высокоэнергетических материалов аналогично смесевым топливам
входят два основных компонента – горючее (керосин, гидразин, несимметричный
диметилгидразин, аэрозин, жидкий водород) и окислитель (кислород, жидкий
кислород). В некоторых составах компоненты гелеобразных топлив имеют
сверхнизкую температуру кипения, что накладывает определенные ограничения
на условия хранения – близкие к криогенным и криогенные температуры (около
90 К) окружающей среды. Этот недостаток по сравнению с условиями хранения
смесевых топлив компенсируется высоким удельным импульсом 350–450 с. Из-за
весьма специфических начальных условий гелеобразное топливо находится в
твердом агрегатном состоянии, что обуславливает проблему адекватного
моделирования физико-химических процессов, протекающих при инициировании
горения такого топлива, структура которого в течение индукционного периода
неоднородна вследствие плавления приповерхностного слоя при подводе энергии
от внешнего источника.
Проблема воспламенения КВ остается одной из актуальнейших не только
применительно к ракетной технике, но и в промышленной безопасности.
Причинами этого являются пожарная опасность многих современных
конструкционных и строительных материалов (например, термопластичных
полимеров [52–57]), а также достаточно частые нерегламентированные
возгорания твердых натуральных топлив [58–60].
Ежегодно в мире происходят десятки крупных резонансных пожаров на
промышленных предприятиях, в жилых и общественных зданиях. Последствиями
таких аварий являются не только крупный материальный ущерб, но и
человеческие жертвы. Подавляющее большинство (до 80 %) пожаров возникает
из-за взаимодействия КВ с неконтролируемыми малоразмерными и
малокалорийными источниками нагрева [61–63], например, разогретыми до
высоких температур частицами, которые могут образовываться в результате
широко распространенных технологических и техногенных процессов. На первый
взгляд такие источники не представляют серьёзной пожарной опасности. Однако
на практике довольно часто причинами локальных возгораний являются
металлические частицы, формирующиеся в результате проведения сварочных
работ, обработки изделий методами абразивной резки или шлифования, коротких
замыканий на линиях электропередач [64–66], а также углеродистые частицы,
образующиеся при работе печного отопления или использовании открытого огня.
Для достоверного прогноза характеристик инициирования горения КВ
необходимы адекватные реальному процессу математические модели. В теории
горения широкое распространение получили модели зажигания
конденсированных веществ энергоемкими источниками с постоянной
температурой в течение индукционного периода [67–77]. Анализ результатов
экспериментальных исследований [76–79] позволяет сделать вывод о достаточно
существенном отличии закономерностей и характеристик физико-химических
процессов, протекающих при зажигании КВ массивными пластинами и
локальными источниками ограниченной энергоемкости. В первом случае
зажигание горючего вещества может продолжаться как в течение достаточно
короткого промежутка времени при высоких тепловых потоках, так и при
длительных временах воздействия менее мощных источников [67–77]. В случае
же нагрева КВ горячими частицами малых (несколько миллиметров) размеров
зажигание возможно лишь в определенном интервале начальных температур
источника в течение короткого (до нескольких секунд) промежутка времени [56,
57, 62–66, 78, 79], когда величина теплового потока в зону зажигания достаточна
для прогрева и инициирования горения. Очевидно, что при зажигании КВ
одиночной горячей частицей малых размеров процесс остывания локального
источника является определяющим для характеристик индукционного периода,
особенно при близких к предельным условиям зажигания. Как следствие,
использование математических моделей аналогичных моделям зажигания
конденсированных веществ [67–74] энергоемкими пластинами с постоянной
температурой далеко не всегда обосновано.
Объективная необходимость в адекватных реальной практике постановках
задач и моделях индукционного режима зажигания КВ локальными источниками
энергии выявила проблему отсутствия математических моделей, учитывающих
взаимосвязанные процессы кондуктивного теплопереноса, термического
разложения (плавления, испарения) веществ и материалов, диффузии летучих
компонентов, формирования горючей газовой смеси, свободно-конвективного и
радиационного теплоотвода от источника нагрева, химического реагирования.
Разработка таких моделей, несомненно, позволит интенсифицировать процесс
разработки новых рецептур высокоэнергетических материалов, создать
теоретические основы энергоэффективной технологии инициирования горения
топлив, а их внедрение в алгоритмы управления существующих систем
пожаротушения повысить эффективность прогноза и предотвращения возгораний
горючих веществ, например, твердых натуральных топлив, полимерных
материалов (ПМ) и других.
На основании анализа документированных научных результатов по
зажиганию КВ можно сделать вывод, что крупной научной проблемой является
развитие общих положений теории взаимодействия структурно-неоднородных
(металлизированные смесевые, гелеобразные и диспергированные топлива)
конденсированных веществ и полимерных материалов с локальными
источниками ограниченной энергоемкости. Эта работа имеет фундаментальное
значение, так как результаты исследований физико-химических процессов при
инициировании горения структурно-неоднородных конденсированных веществ и
полимеров в условиях локального нагрева могут стать основой для развития
существующих и создания новых технических систем и устройств в
ракетостроении и средств прогноза в теории пожарной опасности.
Целью работы является создание основных элементов теории зажигания
структурно-неоднородных (металлизированные смесевые, гелеобразные и
диспергированные топлива) конденсированных веществ и полимерных
материалов при локальном нагреве источниками ограниченной энергоемкости в
рамках моделей математического аппарата механики сплошной среды,
отличающихся от известных описанием пространственно-временной
неоднородности процессов тепломассопереноса, термического разложения,
фазовых превращений и химического реагирования.
Теоретические исследования выполнены для большой группы систем:
«одиночная горячая частица – металлизированное смесевое твердое топливо –
инертный газ», «группа горячих частиц – металлизированное смесевое твердое
топливо – инертный газ», «горячая пластина – металлизированное смесевое
твердое топливо», «поток разогретых газов – металлизированное смесевое
твердое топливо», «горячая частица – гелеобразное топливо – инертный газ»,
«одиночная горячая частица – измельченный уголь – воздух», «группа горячих
частица – измельченный уголь – воздух», «одиночная горячая частица –
полимерный материал – воздух», «группа горячих частиц – полимерный материал
– воздух». Экспериментальные исследования проведены для процессов зажигания
суспензионного и твердого натурального топлив в условиях кондуктивного и
конвективного нагрева.
Достижение сформулированной цели диссертационной работы
предполагало решение следующих фундаментальных задач:
1. Создание нового подхода к теоретическому описанию процессов
тепломассопереноса и химического реагирования, протекающих при
инициировании горения структурно-неоднородных КВ и ПМ в результате
локального нагрева источниками ограниченной энергоемкости, отличающегося от
известных учетом в явном виде гетерогенной структуры топлив, конфигурации и
размеров источника нагрева.
2. Разработка физических и математических моделей зажигания
металлизированных смесевых, гелеобразных и диспергированных топлив,
полимерных материалов нагретыми до высоких температур частицами,
учитывающих взаимосвязанные процессы кондуктивного теплопереноса,
термического разложения (или плавления и испарения) веществ и материалов,
диффузии летучих компонентов, формирования горючей газовой смеси,
свободно-конвективного и радиационного теплоотвода от источника нагрева,
химического реагирования.
3. Адаптация методов численного решения дифференциальных уравнений в
частных производных для программной реализации сингулярно возмущенных
краевых задач.
4. Разработка и программная реализация алгоритмов решения систем
нелинейных нестационарных дифференциальных уравнений в частных
производных с начальными и граничными условиями.
5. Установление предельных условий инициирования горения структурно-
неоднородных конденсированных веществ и полимерных материалов при
локальном нагреве источниками ограниченной энергоемкости, а также выявление
характерных режимов зажигания.
6. Анализ влияния группы значимых факторов (начальная температура,
размеры, форма, теплофизические свойства и количество локальных источников
нагрева, их частичное или полное внедрение в приповерхностный слой КВ,