автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.05, диссертация на тему:Организация внутрикамерных процессов в двигательных и технологических установках на металлических горючих

На правах рукописи

Малинин Владимир Игнатьевич

УДК 536 45, 621 454, 621 762, 662 611

ОРГАНИЗАЦИЯ ВНУТРИКАМЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ В ДВИГАТЕЛЬНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ НА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ГОРЮЧИХ

Специальность

05 07 05 — «Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательных аппаратов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

□ ОЗОБС12ВЗ

Ижевск 2007

003060283

Работа выполнена в Пермском государственном техническом университете Научный консультант

доктор технических наук, профессор Бульбович Р.В. Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук Ассовский И. Г. доктор технических наук, профессор Ваулин С.Д. доктор физико-математических наук Карпов А.И.

Ведущая организация

ОАО «Корпорация «Тактическое ракетное вооружение», г Королев, Московская область

Защита состоится 29 июня 2007 г в 14 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212 065 03 в ИжГТУ по адресу 426069, г Ижевск, ул Студенческая, 7

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью, просим выслать по указанному адресу в двух экземплярах

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИжГТУ

Автореферат разослан _2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета, ,

доктор технических наук, профессор — Б Я Бендерский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современных энергетических и технологических установках широко используется горение металлогазовых систем, как для создания тяги (РДТТ, ГРД, РПД)}так и для получения целевого продукта, применяемого в промышленности (например СВС) В последние два десятилетия научными коллективами ОКБ «ТЕМП» при Пермском ГТУ, НИИЭМ при МГТУ им. Н Э Баумана, ГНИИХТЭОС и Тольяттинского ГУ показана возможность создания новых высокоэффективных технических устройств, использующих горение распыленных в активном газе порошков металлов (алюминия, магния, бора) Это - прямоточные гидро- и воздушные реактивные двигатели на порошкообразных металлических горючих (ПМГ), ракетные двигательные установки на порошкообразном топливе, технологические реакторы синтеза ультрадисперсных оксидов

Порошкообразные металлические горючие позволят, с одной стороны, сохранить эксплуатационные достоинства ТРТ, с другой стороны исключить их основной недостаток - отсутствие возможности регулирования в широком диапазоне тяги двигателя Текучесть ПМГ обеспечит регулирование тяги в десятки раз по произвольному закону Обладая большой теплотой сгорания и высокой плотностью, ПМГ способны также существенно увеличить удельные импульсы тяги - массовые и объемные

Применение принципиально нового типа горючего - порошкообразного металлического - в ПВРД по существу открывает новое направление в реактивном двигателестроении Прямоточные двигатели на ПМГ имеют ряд исключительных преимуществ по сравнению с ПВРД на известных типах горючего (керосин) высокий объемный импульс тяги (/к = 20 35 МНс/м3), возможность работы на больших высотах полета (Н= 30 40 км) летательного аппарата, высокий коэффициент тяги (Сц =1,5 2) и хорошие эксплуатационные характеристики Соответственно, управляемые ракеты, оснащенные прямоточными ВРД на ПМГ, приобретают ряд качеств, чрезвычайно важных для их боевого применения (малые габариты и масса, возможность достижения большой высоты и дальности полета, высокая скорость и манёвренность, удобство хранения и обслуживания)

Природные ресурсы объектов Солнечной системы могут быть использованы в качестве компонентов топлива для ракетных двигателей космических летательных аппаратов (КЛА) В условиях космических объектов наиболее важным показателем является минимально необходимая масса посадочной ступени КЛА, доставляемой с Земли на поверхность космического тела Применение окислителей (Н20, СОг, N2), добываемых на поверхности внеземных объектов позволяет уменьшить эту массу, при существенном увеличении исследовательской программы Анализ возможных схем ДУ на внеземных окислителях показал, что двигатель на порошкообразном металлическом горючем в данном случае наиболее оптимальный вариант

Сжигая распыленные в активном газе порошкообразные металлы, в технологической установке можно синтезировать ультрадисперсные материалы

с особыми свойствами Такие технологии перспективны, экономически выгодны и позволяют получить продукты высокого качества при высокой производительности (более 100 кг/час целевого продукта)

Объект исследования: внутрикамерные процессы в установках на порошкообразных металлических горючих, включающие в себя подачу ПМГ в камеру сгорания, его распыление и смесеобразование топлива, воспламенение и горение взвесей металлов, теплозащиту стенок конструкции в условиях высокой концентрации конденсированной фазы

Целью работы является разработка и обоснование нового способа организации сжигания металлических горючих в потоке активных газов, обеспечивающего высокую эффективность процессов, и создание проектных концепций перспективных реактивных и технологических установок на порошкообразном алюминиевом горючем

Задачи диссертационной работы. Для достижения указанной цели необходимо

1. Создать математическую модель воспламенения и горения частицы алюминия в потоке активных газов, учитывающую кинетические факторы На основе этой модели разработать модель горения высокоскоростного потока полифракционной, переобогащенной алюминиево-воздушной смеси Провести численное моделирование горения аэровзвеси порошка алюминия

2 Разработать новый способ организации воспламенения и горения порошков металлов в воздушном потоке В соответствии с разработанным способом создать математическую модель, описывающую процессы горения в реактивных и технологических установках на ПМГ

3 Спроектировать экспериментальную установку для исследования процессов воспламенения и горения порошков металлов в воздушном потоке Определить параметры установки, обеспечивающие устойчивое, самоподдерживающееся и эффективное горение металловоздушной смеси. Уточнить кинетические характеристики горения алюминиево-воздушной смеси. Сравнить результаты расчетов и проведенных в работе экспериментов, а также экспериментальные и расчетные данные с данными других авторов

4 Разработать схему ПВРД ПМГ, его основные системы и элементы конструкции Подтвердить их работоспособность Провести экспериментально-теоретические исследования влияния различных параметров на эффективность ПВРД ПМГ Определить оптимальные значения параметров

5 Создать экспериментальную технологическую установку для исследования процесса получения дисперсного оксида при сжигании порошка алюминия в воздушном потоке и определить параметры, влияющие на дисперсность образующегося оксида Получить образцы ультрадисперсного оксида алюминия с заданными свойствами

6 На основании полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований разработать схему двигателя КЛА на металлических горючих и внеземных окислителях Разработать рекомендации к проектированию систем и элементов смесеобразования, воспламенения и горения двигателей космических аппаратов на ПМГ

Методы и подходы, использованные в ходе выполнения диссертационной работы Использованы методы и подходы механики сплошных сред, теории горения металлов и газодисперсных систем, математического моделирования процессов испарения частиц металлов и химической конденсации продуктов испарения, газовой динамики дисперсных систем, проектирования, конструирования и проведение испытаний реактивных двигательных установок и нестандартного оборудования, физико-химические методы исследования порошковых материалов (рентгеновский, электроннооптический, оптический)

Достоверность н обоснованность полученных результатов и выводов обеспечиваются: использованием основополагающих уравнений механики сплошных сред и теории горения газодисперсных систем, а также известных, проверенных на практике экспериментальных характеристик взаимодействия частиц ПМГ с активными газами, хорошим согласованием результатов расчета и проведенных в работе экспериментов, а также их совпадением с данными других авторов, применением современных аттестованных приборов, проверенных и надежных средств измерения и регистрации, опробованных методик

На защиту выносятся:

1 Математическая модель горения частицы алюминия, учитывающая кинетику испарения и поверхностных химических реакций и созданная на ее основе модель горения высокоскоростного потока поли фракционной, сильно переобогащенной алюминиево-воздушной смеси

2 Результаты теоретических исследований влияния параметров на характеристики горения частицы алюминия и образующегося оксида Результаты численного моделирования процессов горения переобогащенной аэровзвеси порошка алюминия (коэффициент избытка воздуха а < 1)

3 Способ организации воспламенения и горения порошков металлов в воздушном потоке и созданную в соответствии со способом математическую модель, описывающую процессы горения в реактивных и технологических установках на ПМГ

4. Результаты, полученные при испытании экспериментальной установки для исследования процессов воспламенения и горения порошков металлов в воздушном потоке

5 Обоснование работоспособности и эффективности ПВРД ПМГ, его основных систем и элементов конструкции

6 Математическое моделирование процессов в экспериментальном, низкотемпературном газогенераторе (НТГГ) для натурной системы подачи ПМГ и результаты его испытаний

7 Экспериментально-теоретические исследования процесса получения ультрадисперсного оксида при сжигании аэровзвеси порошка алюминия в камере сгорания технологической установки

8 Метод получения ультрадисперсного оксида с заданными свойствами посредством сжигания порошка алюминия в воздушном потоке

9 Схема ракетных двигателей КЛА на ПМГ и внеземных окислителях

Рекомендации к проектированию систем и элементов воспламенения и горения двигателей КЛА на ПМГ

Научная новизна работы заключается в следующем

• создана математическая модель горения частицы алюминия, впервые учитывающая кинетические ограничения процессов испарения и поверхностных химических реакций, модель вносит существенный вклад в теорию горения мелкодисперсного алюминия при низких давлениях;

• в отличие от существующих, созданная модель адекватно описывает процессы образования оксида (расчет доли оксида, образовавшегося на частице, хорошо согласуется с опытными данными),

• создана математическая модель горения* высокоскоростного потока полифракционной аэровзвеси частиц алюминия, впервые учитывающая кинетику и неравновесную термодинамику процессов горения, как на поверхности частиц, так и в объеме потока, модель адекватно описывает воспламенение и горение переобогащенных алюминиево-воздушных смесей (коэффициент избытка воздуха а < 1),

• сформулированы новые принципы организации процесса сжигания порошкообразных металлов в камере сгорания без применения специальных механических устройств (решетки, плохообтекаемые тела, уступы и тп.), вызывающих аэродинамическую рециркуляцию двухфазного потока,

• экспериментально впервые подтверждено самоподдерживающееся, устойчивое горение аэровзвеси порошкообразных горючих (алюминия и бора) в широком интервале параметров, в камере сгорания без вызывающих рециркуляцию потока механических устройств,

• впервые подтверждена возможность высокоэффективной организации внутрикамерных процессов в реактивных двигателях и технологических установках на порошкообразном алюминиевом горючем,

• впервые создан и испытан экспериментальный низкотемпературный газогенератор с порошкообразным емкостным охладителем (температура охлажденных продуктов сгорания менее 500 К) для системы подачи ПМГ, с большим временем работы (более 300 с),

• экспериментально и теоретически (численным моделированием) впервые показано, что, варьируя параметры в камере сгорания, можно влиять на механизм горения частиц алюминия и изменять дисперсность оксида в продуктах сгорания в широких пределах,

• впервые предложено и обосновано применение в качестве окислителя и рабочего тела реактивных двигателей космических летательных аппаратов воды, которая содержится в виде льда на многих космических телах, и азота, из которого состоит атмосфера спутника Сатурна Титана

Практическая значимость работы состоит в следующем-

• теоретические и экспериментальные результаты работы могут быть использованы при проектировании и отработке систем и элементов смесеобразования и горения новых высокоэффективных реактивных двигателей и технологических установок на ПМГ,

• разработанный способ организации сжигания порошкообразных металлов без применения механических устройств, вызывающих аэродинамическую рециркуляцию двухфазного потока, позволяет существенно повысить время работы и расширить область значений рабочих параметров реактивных двигателей на ПМГ, что приводит к резкому повышению тактико-технических характеристик боевых управляемых ракет с такими двигателями,

• низкотемпературный газогенератор с порошкообразным емкостным охладителем, созданный как вспомогательный элемент системы подачи ПМГ, может найти применение не только в ПВРД ПМГ, полученные результаты позволяют сделать важный шаг к широкому применению газогенераторов на твердом топливе в разнообразных ракетных двигателях и в аварийно-спасательных системах,

• разработанный в работе метод получения ультрадисперсных оксидов позволяет создать технологические установки с высокой производительностью и экономичностью, которые обеспечат массовое производство дисперсных материалов с заданными свойствами для современных технологий, на их основе возможно получение высокоэффективной керамики с уникальными характеристиками,

• применение реактивных двигателей на ПМГ и внеземных окислителях в космических летательных аппаратах позволяет расширить возможности исследования дальнего космоса и объектов Солнечной системы.

Реализация работы." Разработанные принципы организации внутрикамерных процессов, созданные математические модели, спроектированные экспериментальные установки, методики исследований и полученные в результате исследований расчетные и экспериментальные данные использованы

- при проектировании прямоточного воздушно-реактивного двигателя на порошкообразном алюминии,

- при проектировании газогенераторной системы для ПВРД,

- в исследовании возможности создания генератора энергонесущего газа на ПМГ для газодинамического лазера,

- при проектировании технологической установки для синтеза ультрадисперсных оксидов методом сжигания аэровзвесей порошков металлов;

- при получении опытной партии ультрадисперсного сферического оксида алюминия на спроектированной технологической установке

Полученные в диссертации результаты использовались в проектных работах предприятий ГУП ОКБ «Темп», ФГУП НИМИ, ОАО «Корпорация «Тактическое ракетное вооружение», в исследовательских работах ФГУП НИИПМ, ГНУ «Научный центр порошкового материаловедения», ИРЭ РАН, ИХФ РАН, ИПХФ РАН и в учебном процессе кафедр РКТ и ТКА ПермГТУ

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на I - V Всесоюзной школе-семинаре по горению дисперсных систем (Одесса, ОГУ, 1981, 1983, 1985, 1987, 1989 г г), И Всесоюзной конференции по проблеме двигательных и энергетических установок летательных аппаратов (Москва, 1981 г), VII, IX и XIII Симпозиуме по

горению и взрыву (Черноголовка, 1983 г., Суздаль, 1989 г и Черноголовка, 2005 г), IX Научных чтениях, посвященных разработке творческого наследия и развитию идей ФА Цандера (Уфа, 1985 г), I - IV Международной конференции по внутрикамерным процессам и горению в установках на твердом топливе и ствольных системах (Москва, 1993 г., Санкт-Петербург, 1996 г, Ижевск, 1999 г, Москва, 2002 г), совместном Семинаре Российской и Японской секций Международного института горения (Черноголовка, 1993 г), Международной конференции по горению (Мемориал Я Б. Зельдовича, Москва, 1994 г), I, IV Международной школе-семинаре «Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем» (Санкт-Петербург, 1995, 2004 г г); Международном коллоквиуме по перспективным аналитическим и расчетным методам в теории горения (Москва, 1997 г.), IV -IX Всероссийской научно-технической конференции- «Аэрокосмическая техника и высокие технологии» (Пермь, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006 г г), IX Всероссийской конференции. «Исследование, проектирование и отработка регулируемых энергоустановок» (Уфа, 2001 г), Всероссийской конференции «Процессы горения и взрыва в физикохимии и технологии неорганических материалов» Москва, 2002 г), Международной конференции SPACE'2003-«Ракетные двигатели и проблемы их применения для освоения космического пространства» (Москва-Калуга, 2003 г.), European combustion meeting (Orleans, France, 2003.), Topical meeting of the European ceramic society (S -Petersburg, Russia, 2004), Международной научно-практической конференции по перспективным композиционным материалам «Нанокомпозиты - 2004» (Сочи, 2004 г), Международной конференции SPACE'2006- «Космический вызов XXI века Новые материалы и технологии для ракетно-космической техники» (Севастополь, 2006 г)

Изобретения. По теме диссертации получено 10 авторских свидетельств и 1 патент на изобретение

Публикации. Основные научные результаты работы отражены в 59 публикациях, в том числе в 1 монографии (17, 75 печ л.), 8 статьях в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ для публикации результатов диссертации на соискание ученой степени доктора наук и 10 докладах в материалах Международных конференций Четыре статьи переведены и опубликованы в Великобритании и США

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы, изложена на 311 страницах, содержит 68 рисунков и 14 таблиц, список литературных источников включает 245 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности работы (темы исследования), формулировку цели и основных задач, решаемых в диссертации, научную новизну, практическую значимость, реализацию и апробацию работы' содержание диссертации по главам '

В первой главе на основе известных работ проведен анализ исследований горения порошкообразных металлов в активных газах, который выявил особенности, преимущества и недостатки металлов как горючих Показана возможность их горения не только в кислородсодержащих средах, но и в водяном паре, а при определенных условиях - в диоксиде углерода и азоте (Похил П Ф , Мальцев В М, Попов Е И, Ягодников ДА и др [1 - 5])

Рассмотрены особенности образования оксида при горении алюминия в продуктах сгорания смесевых ТРТ Главной особенностью оксида, образовавшегося при горении алюминия, отмеченной в экспериментальных работах [1, 6] (Фролов ЮВ, Гусаченко ЕИ, Шевцов В И и др), является двумодальность распределения массы оксида по размерам частиц Левая мода состоит из субмикронных сферических частиц (размером менее 1 мкм), которые образуются в результате газофазных реакций в объеме вокруг горящих частиц алюминия. Частицы правой моды распределения соответствуют по своим размерам исходным частицам алюминия и представляют собой продукты процесса накопления оксида на поверхности горящих частиц металла

Важной особенностью, выявленной в экспериментах Алексеева А Г, Судаковой И В , Кудрявцева В М , Сухова А В , Вяткина А И , Ягодникова Д А, Воронецкого А В и др [7 - 9], является возрастание скорости распространения пламени в аэровзвесях порошков алюминия и магния по мере уменьшения коэффициента избытка воздуха а (вплоть до значений 0,1 0,15) Этот факт имеет большую ценность для организации внутрикамерных процессов в установках на ПМГ, так как позволяет реализовать воспламенение взвесей порошков металлов при низких значениях коэффициента а

Рассмотрены существующие математические модели горения одиночных частиц и взвесей порошков металлов и отмечены их достоинства и недостатки К сожалению, большинство математических моделей горения А1 не рассматривает процесс образования оксида на поверхности частиц и поэтому не позволяет рассчитать доли правой и левой моды Модель Гремячкина В М [10], которая рассматривает этот процесс и позволяет рассчитать доли крупнодисперсного и субмикронного оксида, не согласуется с экспериментальными данными Все модели (в том числе и модель Гремячкина) учитывают только диффузионный характер горения Однако с образованием оксида непосредственно связаны кинетические ограничения скоростей процессов на поверхности частиц А1, поэтому учет только диффузионного характера горения приводит к большим ошибкам при моделировании образования оксида Анализ показал, что кинетические ограничения скоростей химических реакций и испарения особенно значительно проявляются при горении мелких частиц (размер <10 мкм) и низком давлении (< 0,1 МПа) среды Горение в потоке активного газа крупных капель А1 - А120з (размер более 100 мкм), образовавшихся в результате агломерации большого числа мелких частиц алюминия на поверхности горения твердого алюминизированного топлива, хорошо описывает модель Бабука В А [11] Эта модель подробно и адекватно рассматривает процессы, происходящие на поверхности капли и в потоке Однако она так же, как и другие модели, не позволяет правильно

рассчитать процесс горения мелких частиц алюминия в среде низкого давления Игнорирование кинетических ограничений скоростей процессов на поверхности металлических частиц и учет только диффузионного характера горения при определенных условиях приводит к большим ошибкам при моделировании процесса сжигания металлического горючего

Недостатком рассмотренных моделей горения аэровзвесей также является неучет неравновесной термодинамики на поверхности частиц и в потоке, что может привести к большой погрешности расчета горения переобогащенных металловоздушных смесей (а < 1), так как реальный состав продуктов сгорания будет сильно отличаться от рассматриваемого в модели Например, при горении алюминиево-воздушной смеси при а < 1, термодинамические расчеты указывают на присутствие в потоке в значительном количестве субоксида АЬО, который в моделях [5,12,13] даже не рассматривается

Анализ внутрикамерных процессов при сжигании ПМГ и способов их организации [5] показал, что возникают большие сложности для организации эффективного рабочего процесса в двигательных и технологических установках на ПМГ Необходимо разработать новый способ сжигания металловоздушных смесей, обеспечивающий устойчивый и эффективный рабочий процесс в широком диапазоне значений параметров камеры сгорания (КС), без применения традиционных методов [5, 14] стабилизации пламени Для оптимизации внутрикамерных параметров необходимо математическое моделирование процессов в соответствии с разработанным способом

Из необходимости разработки нового способа сжигания металловоздушных смесей в камере сгорания ПМГ следует необходимость создания экспериментальной установки, позволяющей реализовать новый способ и подтвердить его работоспособность и эффективность

Анализ внутрикамерных процессов в ПВРД [14] показал, что процессы прямоточных двигателей и их эффективность в значительной степени зависят от конструктивных особенностей двигателя, его основных элементов и от условий полета летательного аппарата (через параметры поступающего в КС потока воздуха) Однако не исследовано влияние давления и температуры заторможенного в ВЗУ потока воздуха и конструктивных параметров на эффективность рабочего процесса в камере и ПВРД ПМГ в целом.

В результате аналитического обзора сформулированы задачи диссертационной работы

Во второй главе описана разработка новой математической модели воспламенения и горения частицы алюминия в потоке активных газов В отличие от прежних, предложенная модель учитывает кинетические ограничения скоростей испарения и поверхностных химических реакций В диссертационной работе приняты основные представления и допущения модели Гремячкина, кроме представления о диффузионном характере горения Физическая модель горения, схема химических реакций и испарения представлены на рис 1 При плавлении оксид на поверхности частицы собирается в образования, по форме близкие к сферическим, из-за превышения поверхностного натяжения жидкого оксида над поверхностным натяжением

алюминия. В результате обнажается поверхность жидкого алюминия, освобожденного от оксида (подтверждено в экспериментах Раздобреева А А ) В целом, поверхность частицы состоит из участков поверхности жидкого алюминия (свободная поверхность) и внешней поверхности оксида (окисленная поверхность) Предполагается, что окисление паров алюминия происходит не только в объеме вокруг частицы, но и непосредственно на внешней поверхности оксида (так же, как описано в работе Шевцова В И с сотр)

Рис 1 Схема образования оксида при горении частицы алюминия Ох - окислитель, Р - продукты реакции, V- стехиометрический коэффициент реакции,

Q - теплоты реакций и испарения, индекс с - относится к конденсированной фазе, g - газовой, Е - испарению, Ох - окислительным компонентам, Р - продуктам реакции,

I - номер реакции, 1 - свободная поверхность, 2 - окисленная, V - объем потока

В результате химических реакций и испарения в частице происходит увеличение массы оксида и уменьшение массы алюминия Под действием поверхностных сил, образующийся на свободной поверхности оксид непрерывно с нее стекает и накапливается в сферических образованиях, возникших в момент плавления оксида

В предлагаемой модели дополнительно были приняты допущения

1 Частица алюминия воспламеняется в момент времени, когда температура достигает температуры воспламенения Т,г„ Температура воспламенения является функцией начального радиуса частицы г и мольной доли кислорода в среде тох Вид зависимости Т,8„(г, тох) получается интерполяцией экспериментальных результатов Гуревича М А с сотр

2 До воспламенения частицы доля свободной поверхности равнаР = \ ехр(-А1 /Т), где Л0, - константы, Т- температура частицы

3 После воспламенения частицы доля свободной поверхности равна 0,5, а после плавления оксида отношение свободной поверхности к окисленной равно отношению объема алюминия к объему оксида в степени 2/3

4 Влияние Стефановского потока на тепло-массообмен частицы и газа

пренебрежимо мало

5 Зависимость коэффициента сопротивления частицы С0 от критерия Рейнольдса Ке описывается стандартной кривой сопротивления

6 Тепловой критерий (число Нуссельта) частицы принимается равным диффузионному, а зависимость его от параметров потока - в соответствии с формулой Рэнца-Маршалла Ии = 2 + 0,6 Ле0'5Рг0'3

7 Скорости реакций на всех поверхностях определяются концентрацией окислителя у поверхности частицы и ограничиваются числом ударов молекул окислителя (атомов алюминия) о поверхность в единицу времени

В соответствии с поверхностными процессами и с учетом указанных допущений на основе законов сохранения массы, энергии и импульса составлена система обыкновенных дифференциальных уравнений и начальных условий, описывающая горение частицы алюминия в окислительной среде Скорости реакций и испарения (рассчитаны на единицу площади поверхности частицы), которые входят в уравнения, определены с учетом кинетических ограничений и доли свободной поверхности частицы

Молярные скорости реакций образования оксида. — на поверхности алюминия - на поверхности оксида

>(У^хи0х,/иА,)с0х,,

" " СЬ"' К2,=к21СА„ СА, < (2/у0х ,)(иох :/иА1)С0х,

Константы скорости реакций.

— на поверхности алюминия

К = —и0х1рд>и ,

^ Ох I

- на поверхности оксида

*2, =^-и0х,{\-Р)ср21, Сл1>(2/у0х,)(иа,,/ил1)С0з,1,

к2>=1-иА1(\-Р)<р21, Сл1<{2/у0х1)(и0х1,/им)С0х1

Здесь С - молярная концентрация, и - средние скорости молекул окислителя и атомов алюминия у поверхности частицы, р - доля свободной поверхности, ср - эффективность соударений в химической реакции (коэффициент аккомодации)

Доля поверхности частицы, свободной от оксида, в соответствии с выше указанными допущениями определяется следующим образом.

Т < Т <Т

т <т <т

11Еп % 1 - 1 с/ >

т >т

1 'с/'

А0е 0,5,

-А, /Т

СО

2/3

1 + СО

2/3

где со - отношение объемов алюминия и оксида на частице, — температура воспламенения частицы, Тсу- температура плавления оксида

Молярная скорость испарения

Ке - 22Х

УГЕ =---!-+ 2УЖ

Е 1 + 5 V

где IV* =аЕиА1РСеА1 /4, В =1/41/ „ Р / , рим = Ъ м Ми / 2г

Здесь аЕ - коэффициент испарения (для А1 ссе » 1), В - параметр, характеризующий соотношение между интенсивностями фазового перехода и отвода паров алюминия от поверхности в среду; Р и — коэффициент массообмена газ-частица, Б - коэффициент диффузии для средних параметров газовой смеси вокруг частицы, г - радиус частицы, индекс К относится к кинетическому режиму, е — равновесное значение, М- массоперенос

Интегрирование полученной системы дифференциальных уравнений дает возможность определить время горения и долю оксида, образовавшегося на поверхности во время горения частицы (долю крупнодисперсного оксида), описать изменение характерных параметров в процессе горения, установить особенности механизма горения частицы

Для упрощения расчетов эффективности соударений во всех химических реакциях (на поверхности алюминия и на поверхности оксида) приняли равными. (рь = (ръ —(р5 Сравнением времени задержки воспламенения частицы алюминия при разных температурах среды (Г«, = 1600 3000 К, размер частицы с? = 70 мкм), измеренных в эксперименте [15], с рассчитанными по данной модели определены константы предпламенного окисления (А0 = 5,5 и А/ = 18200) Сравнение времени горения частицы алюминия (с? = 70мкм) при давлении р = 1,0 МПа и температуре среды Т,» = 2400 К [1, 15] с расчетом позволило определить параметр <рг ~ 0,1, который является эффективным

В табл 1 представлены результаты расчета доли крупнодисперсного оксида (параметр ст), выполненного по модели автора, модели Гремячкина и опытные данные Колесникова-Свинарева с сотр

Таблица 1 Сравнение результатов расчетов с опытом

Окислитель Шох Т,К ст

Расчет автора Расчет Гремячкина В М Эксперимент

Водяной пар 0,3 2700 0,65-0,7 0,2-03 0,9

0,13 3200 0,4-0,45 0,1-0,2 0,2-0,4

Кислород 0,2 300 0,5 0,12 0,43

Сравнение показывает, что экспериментально определенное значение о в 2-3

раза превышает рассчитанное по модели Гремячкина В М и хорошо согласуется с расчетами автора Анализ табл. 1 позволяет сделать вывод, что учет кинетических ограничений скоростей процессов позволяет правильно рассчитать процесс образования оксида

На рис 2 б, г, е на теоретические кривые для сравнения нанесены экспериментальные точки, полученные Беляевым А Ф, Фроловым Ю В и Коротковым А.И [3, 15] Сравнение экспериментальных зависимостей с расчетами позволяет сделать вывод, что предложенная в диссертации модель хорошо описывает и объясняет зависимости времени горения частиц алюминия от ее размера и основных параметров потока Этим доказывается корректность принятых допущений и выполненных расчетов

Рис 2 Зависимость доли оксида на частице ст и времени ее горения т от давления (а, б), концентрации окислителя в среде (в, г) и размера

частицы (д, е) -> = 5 МПа, Г„= 2400 К, 3,5 м/с, а, б-4=10мкм, а0., = 37,5% (1), 71,5 % (3),

в,г-d= 70 (1) и 140 (2) мкм, д, е-а0х = 37,5 % (I), 57,5 % (2), 71,5 % (3), сплошные линии - горение в продуктах :горания смесевых составов, штриховые -в воздухе

Из результатов расчетов также следует, что основной особенностью горения частицы алюминия, связанной с кинетическими ограничениями и образованием оксида, является сильная неравновесность процесса горения В рамках модели получают ясную интерпретацию некоторые известные факты, которые также подтверждают связь неравновесности процесса горения частиц алюминия с образованием оксида Так, случайным характером накопления оксида на поверхности частицы объясняется асимметричность горения. Покрытием всей поверхности алюминия оксидом в конце горения, перегревом алюминия, мгновенным вскипанием - распад частицы на отдельные капли или

раздувание оксидной оболочки и появление полых сфер в продуктах сгорания

Ниже описана математическая модель горения полифракционной аэровзвеси частиц А1 в высокоскоростном потоке, учитывающая кинетику процессов и на поверхности частиц, и в объеме поток, температурную и скоростную неравновесность между частицами и газом За основу принята представленная выше модель горения одиночной частицы А1

Процессы горения многофазных и многокомпонентных потоков вещества рассмотрены в рамках модели взаимопроникающих движений механики сплошных сред Совместно с кинетическими ограничениями скоростей реакций и фазовых переходов, в отличие от всех предыдущих моделей, учтены и термодинамические соотношения (на поверхности частиц и в потоке), которые существенны для переобогащенных смесей (а < 1) и при высоких температурах среды (> 3500 К) Соответственно, в модели к другим газовым компонентам добавлены субоксиды алюминия (АЬО и АЮ), которые возникают при горении алюминия в обедненной кислородом смеси или при высоких температурах среды

Задача решается при следующих основных допущениях:

1 Рассматривается одномерный, квазистационарный процесс

2 Потери тепла в стенку, как путем теплообмена, так и радиационным путем не учитываются

3 Диффузионный перенос массы, кондуктивный и радиационный перенос тепла между разными поперечными сечениями потока аэровзвеси не учитывается

4. Не учитывается механическое взаимодействие частиц друг с другом

5 Предполагается, что частицы оксида алюминия, образующиеся в объеме газового потока в результате газофазных реакций, малы и поэтому находятся в тепловом и скоростном равновесии с газовым потоком

6 Вязкость учитывается только при взаимодействии между газом и частицами алюминия

Рассмотрены следующие процессы, протекающие на поверхности частиц и в объеме потока алюминиево-воздушной смеси

На поверхности частицы алюминия протекают процессы испарения (конденсации) алюминия на свободной от оксида поверхности (далее по тексту - свободной поверхности) -

АГ *>А1'-12Еи, (1)

реакции окисления алюминия на свободной поверхности -

2А1С + 1,50/ —> Л1гО\ + <2и, (2)

испарения (конденсации) на внешней поверхности оксида, покрывающего частицу (далее по тексту — окисленной поверхности) -

А110^Мг0' + 02'-дЕ2„ (3)

А1201 о 2АЮе +0,50/ -б£э,, (4)

реакции окисления паров алюминия (разложения оксида) на окисленной поверхности -

2А1* +1,5(9* <-> (5)

В объеме потока на поверхности частиц улътрадисперсного оксида протекают процессы

реакции окисления паров алюминия (разложения) оксида -

2А1 е + 1,50/ <г> А12Осъ + 0,уХ, (6)

испарения (конденсации) оксида -

А120\ о А120* + О/ - QУ2, (7)

А1гОсг «-> 2АЮ * + 0,50/ - б^з (8)

Здесь £?„,£? Еч ^ V] теплоты реакций и испарения, индексы ] - номер процесса (испарения, реакции), г - номер-фракции, Е - испарение, V- процессы в объеме потока

В соответствии с рассмотренными выше процессами (1) - (8), принятым подходом, допущениями и законами сохранения массы, энергии и импульса составлена система уравнений и начальных условий, описывающая воспламенение и горение потока аэровзвеси частиц полифракционного алюминия Система состоит из дифференциальных уравнений баланса масс алюминия и оксида, числа частиц, энтальпии и импульса, записанных для каждой фракции частиц Для газового потока записаны уравнения баланса масс газа, газовых компонент и ультрадисперсного оксида, баланса энергии и импульса Система дополнена уравнениями состояния идеального газа (записано для каждой компоненты) я Дальтона

Равновесные значения давлений компонентов у поверхности дисперсной фазы связаны известными термодинамическими соотношениями с избыточным давлением компонентов. Избыточное давление определяется стехиометрией мольных потоков компонентов у поверхности Учитывая изложенное выше, скорости процессов определяются следующим образом.

Мольные скорости химических реакций и фазовых переходов (рассчитаны на единицу площади поверхности) Скорости реакций образования оксида

Ш — 1г Р и/ _ Р«« ~ Р <"' IV — 1г Р °х ~ Рох

Ки-киктГ -к21 —— , 1Гу-кг ^

- на свободной, окисленной поверхности частицы алюминия и на поверхности ультрадисперсного оксида соответственно

Кинетические скорости испарения (конденсации)

№ ем = уьР, Ру> ~ на свободной поверхности частицы

алюминия,

И?ек21 = -се.,Ц(1-в )Р'У2< ~ Ру2. Шк - — а II Р~ РУ*

Е21 4 Е2" У2Л1 И,) ^ , 'Г ЕУ 2 ~ Е2и У2 --

. ' г

- А1гО на окисленной поверхности частицы алюминия и на поверхности ультрадисперсного оксида соответственно,

^ еъ I ~ ^ а Е^УЛ^ Р У3'ят У3 ' ^ЕУ 3 ~~ 4 а Уг

- АЮ на окисленной поверхности частицы алюминия и на поверхности ультрадисперсного оксида соответственно

Площадь поверхности ультрадисперсного оксида в единице объема потока аэровзвеси ^ можно выразить через плотность оксида в потоке р ус, удельную поверхность ультрадисперсного оксида после полного сгорания алюминия - ^ (которую можно определить в эксперименте по сжиганию

аэровзвеси частиц А1) и параметр который характеризует накопление оксида в объеме потока в текущий момент времени

Рс = Рс^/^Т

Дополнительно вычислялись параметры коэффициент полноты сгорания г - й фракции частиц алюминия -9 р, = 1 ~т л, 1т\,>

коэффициент полноты сгорания всех фракций частиц алюминия -

Р,. = £ <Р»п,

I

коэффициент полноты превращения алюминия в А^Оз -

фсот = 5с + 5с У,

где п, - массовая доля г2 фракции в исходном порошке алюминия, 5с = X с,п, , $ а ~ т а /т с! (5с' Д°ля оксида на поверхности частиц)

I

Полученная система дифференциальных уравнений интегрируется методом Рунге-Кутта IV порядка точности по продольной координате потока х Интегрирование системы позволяет описать изменение характерных параметров и установить особенности горения аэровзвеси частиц алюминия

Результаты расчетов воспламенения и горения аэровзвеси частиц А1

1 В процессе горения ярко выражена температурная неравновесность газа и частиц Неравновесность исчезает через некоторое время после окончания горения частиц

2 Температура частиц больше равновесной термодинамической, определенной по модели Гремячкина В М [10] Общая тенденция1 чем больше размер частицы, тем ближе температура ее горения к равновесной термодинамической Этот вывод подтверждают результаты расчета горения аэровзвеси порошка АСД-1

3 В процессе горения существенна скоростная неравновесность газа и частиц Неравновесность исчезает к моменту окончания горения частиц Следствием этого является увеличение в процессе горения частиц коэффициентов тепло-массообмена

4. Доля субоксида АЮ, образовавшегося на поверхности частиц,

незначительна и ее практически можно не учитывать

5 Необходимо учитывать образование АЮ в объеме потоке при коэффициенте а = 0,7 1,2 Особенно увеличивается доля АЮ при возрастании начальной энтальпии смеси и концентрации кислорода

6 В процессе воспламенения и на начальной стадии горения аэровзвеси накопление оксида происходит в основном на поверхности мелких частиц AI, в меньшей степени он накапливается на поверхности крупных частиц и в объеме потока В промежуточной стадии горения оксид в основном накапливается в объеме потока К окончанию процесса горения большая часть оксида находится в объеме

7 В процессе горения аэровзвеси давления газовых компонент в потоке и на поверхности частиц существенно отличаются от их равновесных значений

8 По мере приближения к моменту окончания горения термодинамические параметры (температура, давления компонент) в потоке и на поверхности частиц А1 ведут себя различным образом Термодинамические параметры в потоке стремятся к своим равновесным значениям и к моменту сгорания всех частиц значения параметров мало отличаются от своих равновесных значений (кроме давления А120) Неравновесность термодинамических параметров частиц сохраняется до последнего момента горения алюминия, а отличие значений температуры и давления паров А1 от термодинамически равновесных даже увеличивается В последней стадии горения их температура может намного превышать температуру кипения А1

9. При горении обогащенной горючим (а < 1) алюминиево-воздушной смеси и при высокой начальной температуре газа (T0g > 3000 К) к моменту сгорания всех частиц А1 оксид мало накапливается и на поверхности частиц, и в объеме потока При данных условиях параллельно процессу образования оксида идет интенсивный процесс его разложения с образованием паров алюминия, А^О, молекулярного и атомарного кислорода

Выполненные расчеты показали, что в исследуемом интервале значений исходных параметров процессы горения А1 характеризуются сильной неравновесностью, а дисперсность продуктов сгорания зависит от коэффициента избытка воздуха и начальной энтальпии алюминиево-воздушной смеси Значения коэффициентов аккомодации <ps, и испарения АЬО и АЮ с поверхности оксида аЕ2, аЕ} естественно требуют уточнения, но независимо от них (даже в предельном случае (ps = аЕ1 = аЕ3 = 1) основные результаты и выводы данной работы сохраняются Неравновесность процессов на поверхности частиц А1 непосредственно связана с особенностью накопления оксида и кинетическими ограничениями скоростей процессов, которые сохраняются при низких давлениях и малых размерах частиц и для предельных значений коэффициентов аккомодации и испарения

В главе 3 на основе анализа особенностей горения металлов разработан способ организации внутрикамерных процессов в реактивных и технологических установках на ПМГ, который, не требуя наличия специальных

устройств (плохообтекаемых тел или внезапного расширения потока), обеспечивает необходимую устойчивость и эффективность горения

Рабочий процесс в камере сгорания ПМГ состоит из множества сложных процессов, схема которых приведена на рис 3 В соответствии с этой схемой последовательно рассмотрены составляющие процессы

Рис 3 Схема внутрикамерных процессов в установках на ПМГ

Особенностью двигательной установки на ПМГ является необходимость изменения параметров в широких пределах Для этого необходимо в широких пределах изменять расход порошкообразного компонента (в десять и более раз), что в существующих установках подачи порошков не предусмотрено Поэтому далее рассматривается именно этот аспект процесса подачи ПМГ

Подача сжатого воздуха в разнообразные установки широко применяется в технике, поэтому в данной работе не рассматривается

Распыление порошка, в отличие от жидкостей имеет свои особенности, и эти особенности учтены в работе Ниже, в данной главе, рассматривается процесс распыления порошка

Распределение порошка металла и воздуха по рабочему объему установки тесно связано с организацией процесса сжигания металловоздушной смеси в установке, зависит от способа организации сжигания и поэтому не может рассматриваться самостоятельно Из цепи взаимосвязанных процессов, приведенных на схеме, определяющим и наиболее сложным для осуществления является процесс сжигания аэровзвеси ПМГ

Регулируемая подача ПМГ Рабочий процесс подачи ПМГ организован таким образом, что перемещение порошка к выпускному отверстию и истечение через него осуществляется за счет объемных сил сжатого газа Этот газ, предварительно закачанный в свободный объем порошкообразного металла (межчастичный, поровый объем), при открытии выпускного отверстия фильтруется через порошок и истекает из выпускного отверстия вместе с металлическими частицами При давлении перед отверстием не превышающем 3,5 МПа (рабочее давление 1,5 . 4,5 МПа) относительный расход газа не

превышает 1,5 % Расход металла регулируется перемещением запорно-регулирующего клапана, который был разработан в ОКБ «Темп» при ПГТУ.

Распыление ПМГ Из выпускного отверстия порошок истекает в виде сплошной струи с малым углом раскрытия (6 ... 8°) Начальная скорость частиц порошка достигает значений 40 50 м/с и превышает предельно допустимую. Оценочные расчеты (исходя из времени пребывания частиц в зоне воспламенения) по разработанной в диссертации модели горения А1 показывают, что предельная скорость частиц порошка АСД-1 равна 7 . 14 м/с Таким образом, сечение струи много меньше поперечного сечения воздушного потока, а время пребывания частиц в зоне воспламенения - меньше времени, необходимого для их воспламенения

С целью однородного распределения частиц по поперечному сечению, необходимо увеличить угол раскрытия струи порошка Наиболее эффективно это достигается разделением струи порошка на несколько струй и их последующим столкновением При столкновении резко гасится скорость частиц и формируется угол раскрытия результирующей струи, который намного больше угла раскрытия отдельной струи Необходимые скорости частиц после их торможения и угол раскрытия обеспечиваются подбором угла между направлениями отдельных струй порошка

Сжигание металловоздушных смесей Повышенная горючесть металлов обусловлена их большой химической активностью и высоким значением тепловыделения в химических реакциях (на ед массы продуктов сгорания) Особенно большое тепловыделение (рис 4 а) в горящих металловоздушных смесях реализуется при низких коэффициентах избытка воздуха (а < 0,3)

0 0,4 0,8 1,2 1,6 2 а

Рис 4 Влияние коэффициента избытка воздуха на тепловыделение (а) и температуру продуктов сгорания (б) аэровзвесей горючих р = 0,1 МП а, Т0 =300 К

Термодинамический анализ горения металлов в воздухе (рис 4 б) указывает на высокие температуры продуктов сгорания при низких значениях а, что согласуется с результатами термохимического анализа Характерный эффект при низких коэффициентах избытка воздуха (рассчитаны по кислороду) обусловлен экзотермической реакцией азотирования Из-за высокого тепловыделения и больших температур при низких значениях а в металловоздушных смесях, верхний концентрационный предел распространения пламени должен быть очень высоким, соответственно предельное значение коэффициента а- очень низким

Очень важной для стабилизации пламени в потоке горючей смеси является зависимость скорости распространения пламени 17/ от коэффициента избытка окислителя В гомогенных смесях горючих газов с воздухом V/ имеет максимальное значение при коэффициентах избытка воздуха а, близких к единице В аэровзвесях капель углеводородов закономерность сохраняется {Цг= и/"" при а= 0,7 0,9 [14])

Однако в металловоздушных смесях физико-химическая ситуация иная и Uf ир™ при а « 1 В экспериментах [5, 7-9] скорость распространения пламени в аэровзвесях порошков алюминия и магния возрастает по мере уменьшения коэффициента а (вплоть до 0,1 0,15) Смещение максимума функции Ща) в сторону очень низких значений а может объясняться отмеченной выше реакцией азотирования металлов и особенностями процессов тепло-массообмена в богатых металловоздушных смесях [9] В работе [9] также показано, что в сильно переобогащенных металловоздушных смесях при распространении пламени происходит автотурбулизация потока, которая приводит к искривлению фронта пламени и увеличению его скорости

Изложенные выше особенности горения переобогащенных металловоздушных смесей позволяют организовать воспламенение и горение порошков металлов при низких значениях а, соответственно при низких скоростях потока, без применения специальных устройств - стабилизаторов пламени Воспламенение и горение металлов организуется следующим образом (рис 5) Поток воздуха делится на две неравные части- первичный поток (меньшая часть) и вторичный поток (большая часть) В первичный поток подается весь порошок металла, смешивается с ним, воспламеняется и частично сгорает, затем смешивается с вторичным потоком и догорает Коэффициент избытка воздуха первичного потока «1, вторичного - а2>~\

Образование оксида В результате горения ПМГ во вторичном потоке образуется крупнодисперсный и ультрадисперсный оксид Изменяя условия вторичного смешения и условия в потоке (давление, температуру), можно уменьшить массовую долю крупнодисперсного оксида и увеличить долю ультрадисперсного Уменьшая температуру и давление в зоне вторичного потока в соответствии с результатами А Я Лукина, А М Степанова и Л Н Стесика с сотр также можно существенно уменьшить размеры частиц ультрадисперсного оксида (<100 нм) и получить нанодисперсный оксид

Вторичный воздух [

Первичный воздух

Порошок

Первичны воздух

Вторичный воздух

Рис 5 Схема организации сжигания металловоздушной смеси.

1 - первичное смешение, 2 - воспламенение, стабилизация пламени и первичное горение, 3 - вторичное смешение, 4 - вторичное горение

Тепловая защита стенок камеры и сопла Применение ТЗМ для защиты конструкций определяется параметрами потока (давление, температура, скорость, концентрация конденсированной фазы и химический состав), воздействующего на их поверхность Условия в камере основного горения ПМГ аналогичны условиям в камере дожигания РПД на твердом высокометаллизированном топливе Поэтому для защиты стенок камеры вторичного горения и сопла вполне пригодны традиционно применяемые в РПД теплозащитные материалы Однако эти материалы непригодны для камеры первичного горения Из-за высокой доли к-фазы, низкой скорости потока, высокой вязкости и адгезионной способности жидких частиц очень велика вероятность налипания металла и оксида на защищаемую поверхность

К материалам для защиты камеры первичного горения предъявляются следующие основные требования. 1) частицы к-фазы не должны налипать на поверхность ТЗМ; 2) скорость уноса ТЗМ должна быть возможно меньше Первое требование является определяющим, так как невыполнение его приводит к значительному снижению полноты сгорания и неустойчивой работе установки (при длительной работе возможно почти полное «зарастание» конденсированной фазой проходного сечения камеры первичного горения) В этом случае для защиты стенки камеры лучше всего подходят абляционные материалы с «жертвенным» уносом массы, например полиметилметакрилат (оргстекло) При высокотемпературном тепловом воздействии на такие материалы возникает газовый поток, направленный от поверхности, который отбрасывает частицы к-фазы в ядро потока

Математическое моделирование сжигания алюминиево-воздушной смеси В соответствии с предложенным выше способом организации горения металловоздушных смесей (рис. 5) создана математическая модель, описывающая процессы воспламенения и горения полифракционной аэровзвеси частиц алюминия в камере сгорания ПМГ

Рассматривается стационарное течение реагирующей смеси частиц и газа, воспламенение и первичное горение первоначально перемешанной смеси

порошка алюминия с первичным воздухом, смешение воспламенившейся аэровзвеси с вторичным воздухом, горение и расширение потока Струи вторичного воздуха подаются перпендикулярно основному потоку Они равномерно распределены в поперечном сечении, но не равномерно - по длине потока Диаметр струй много меньше диаметра основного потока, а плотность потока массы струй много больше, чем основного потока Основные предположения и допущения, принятые в модели, описаны в главе 2. Дополнительно принято допущение о равномерном распределении в поперечном сечении потока подводимого струями воздуха Соответственно, течение рассматривается одномерным, а подвод воздуха в основной поток представлен источником массы заданной мощности Мощность источника описывается функцией от координаты вдоль продольной оси камеры сгорания

На основе законов сохранения массы, энергии и импульса в соответствии с принятыми допущениями записана система уравнений, описывающая процессы воспламенения и горения потока аэровзвеси частиц полифракционного алюминия Полученная система и математические соотношения определены так же, как в главе 2, кроме уравнений массы газа и газовых компонент, энергии и импульса газа, числа частиц для разных фракций алюминия В уравнения массы газа, кислорода и азота в правые части введены источниковые члены В уравнения энергии и импульса газового потока введены соответственно стоки энтальпии и импульса В уравнения массы газа, газовых компонент, импульса газа, числа частиц для разных фракций алюминия добавлен член, учитывающий расширение потока

Скорости химических реакций и фазовых переходов на поверхности крупнодисперсных частиц и ультрадисперсного оксида, массовые потоки компонентов и потоки тепла, коэффициенты переноса и другие параметры определены так же, как и в главе 2

Мощности источников массы и стока энтальпии

д н определяются следующим образом.

Ч», = / р <7» = 0,23 дтг дт = 0,77 дт Чн = Чшг [/„ 1Ш (Таг )]

5 ? > >

где /0„(Га11.) и 1а,г (Г ) удельная энтальпия подводимого воздуха соответственно при начальной температуре и температуре газа в потоке Функция gwr и площадь поперечного сечения потока F являются известными функциями координаты х и задаются в исходных данных для расчета

В главе 4 описана экспериментальная установка для исследования процессов воспламенения и горения порошков металлов в воздушном потоке Установка спроектирована в соответствии с предложенным автором способом организации внутрикамерных процессов При проектировании использовались результаты расчетов по матмоделям, разработанным в данной диссертации

На экспериментальной установке проводились исследования процесса воспламенения и горения аэровзвеси порошков алюминия, бора и синтеза оксида алюминия, с улавливанием конденсированной фазы из потока продуктов сгорания. Исследования были направлены на определение а)

области надежного зажигания первичного потока горючей смеси, б) области стабилизации пламени и устойчивого горения первичного и вторичного потоков смеси, в) коэффициента камеры в зависимости от параметров процесса горения, г) химического, фазового и дисперсного состава конденсированных продуктов, выделенных из двухфазного потока в устройстве отбора

Для испытания установки использовались порошки алюминия промышленных марок, АСД-1 и АСД-4, существенно отличавшиеся размером частиц Средний по массе размер частиц АСД-1 - 25 мкм, АСД-4 - 9 мкм Также испытания проводились с субмикронным порошком бора марки Б-99 Порошок был произведен по ТУ 6-02-585-75 Дзержинским опытным заводом Нижегородской области Размер частиц менее 1 мкм, средний по массе размер -0,45 мкм, содержание бора не менее 99 %.

Экспериментальная установка На рис 6 представлена схема экспериментальной установки для исследования сжигания порошкообразных металлов, включающей систему подачи порошков металлов 1, камеру первичного смешения, воспламенения и первичного горения (форкамеру) 2, камеру вторичного смешения и горения (камеру сгорания) 3, устройство отбора дисперсных продуктов из двухфазного высокотемпературного потока 4

Очищенный газ

Рис 6 Схема экспериментальной установки. 1 - система подачи порошка, 2 - форкамера, 3 - камера сгорания, 4 -устройство отбора к - фазы, 5 - газопроницаемый поршень с перепадным клапаном, 6 - запорно-регулирующий клапан с приводом, 7 - подвод первичного воздуха, 8 - воспламенитель, 9 - щелевой подвод вторичного воздуха, 10- распределенный подвод вторичного воздуха, 11 - сопло

Система подачи предназначена для подачи в форкамеру порошков металлов с заданным расходом и состоит из бака с порошком, проницаемого для газа поршня с перепадным клапаном 5 и запорно-регулирующего клапана порошка б с приводом В бак через проницаемый поршень подается газ, переводящий порошок в псевдоожиженное состояние Затем газ подается в привод, перемещением запорно-регулирующего клапана открывается выпускное отверстие в баке и порошково-газовая смесь истекает из отверстия В качестве транспортирующего порошок газа используется азот

Форкамера (ФК) предназначена для смешения порошка, (истекающего из выпускного отверстия системы подачи) с первичным воздухом (поступающим из баллонной рампы), воспламенения и первичного горения, образованной металловоздушной смеси Камера состоит из распределителя первичного воздуха 7, воспламенителя 8 и корпуса.

Распыление порошкообразного металла в ФК осуществляется следующим образом Поток порошка, проходя через запорно-регулирующий клапан, разделяется на несколько струй, которые ускоряются независимо друг от друга Затем струи порошка получают необходимое направление и сталкиваются в точке, лежащей на продольной оси установки. При этом происходит торможение частиц металла и увеличение угла раскрытия результирующей струи Необходимые скорости частиц после их торможения и угол раскрытия результирующего потока обеспечиваются подбором угла между направлениями отдельных потоков порошка Конструкция узла распыления порошка обеспечивает низкую скорость частиц металла (< 10 м/с) и их равномерную концентрацию в поперечном сечении ФК Это подтверждено измерением скорости частиц специальным датчиком и результатами пробоотбора

Камера сгорания предназначена для смешения воспламенившейся металловоздушной смеси, истекающей из форкамеры, с вторичным воздухом и сжигания образованной вторичной смеси Камера сгорания (КС) состоит из распределителя вторичного воздуха (щелевой 9 и распределенный 10 -подводы вторичного воздуха), корпуса и сопла 11

Конструкция распределителя вторичного воздуха позволяет обеспечить ввод вторичного воздуха как в одном сечении, так и в двух и более сечениях по длине камеры, в зависимости от требуемых внутрикамерных процессов

Устройство отбора к-фазы предназначено для выделения конденсированных продуктов сгорания из двухфазного высокотемпературного потока (истекающего из сопла) и состоит из корпуса, узла подвода и распыления воды, перегородок и патрубков для отвода очищенного газа и слива суспензии Через узел подвода и распыления подается вода перпендикулярно и вдоль продольной оси реактора (навстречу двухфазному потоку) Поток, проходя сквозь распыленную воду, тормозится, охлаждается и очищается от конденсированной фазы Очищенный газ выходит из устройства через верхний патрубок в атмосферу Образовавшаяся суспензия (смесь воды и дисперсных продуктов) сливается через нижние патрубки в специальные емкости

Система измерения экспериментальной установки обеспечивает измерение и непрерывную запись ее параметров во время испытания Измеряемые параметры дают возможность определить расходы воздуха, перемещение запорно-регулирующего клапана, параметры газа на входе в установку, перед выпускным отверстием системы подачи, в воспламенителе, форкамере, в камере сгорания и устройстве отбора оксида По перемещению клапана и параметрам газа перед выпускным отверстием определяется расход порошка По давлению в камере воспламенителя и известной площади критического сечения определяется расход воспламенителя и соответственно его тепловая мощность Система измерения позволяет регистрировать давления

в рабочей части установки и в воздушных магистралях с предельной погрешностью 2 %, массовые расходы воздуха и порошка - не более 3 %, расход воспламенителя - не более 10 %

Методика проведения испытаний Испытание происходит следующим образом. Предварительно в бак с металлическим порошком подается газ (см рис 6) По команде "пуск" включается подача первичного и вторичного воздуха После выхода воздушного потока в камере на установившийся режим, включается система зажигания (воспламенитель) и открывается запорно-регулирующий клапан системы подачи, одновременно подается вода в устройство отбора конденсированных продуктов Порошок поступает в форкамеру, смешивается с первичным воздухом и образует первичную горючую смесь, которая воспламеняется После появления основного пламени, через заданный промежуток времени (0,2 2 с) система зажигания отключается Факт зажигания, распространения пламени и устойчивости горения устанавливается по характеру изменения давления в камере сгорания.

Стабилизация пламени Устойчивость процесса Алюминиевое горючее В испытаниях установки была достигнута стабилизация пламени в рабочем объеме форкамеры в широком диапазоне изменения параметров первичного потока алюминиево-воздушной смеси давления ра ~ 0,1 ... 3,5 МП а, среднеобъемной скорости холодного потока воздуха Уо1= 1 12 м/с (АСД-1), 1 40 м/с (АСД-4), коэффициента избытка воздуха а; = 0,04 0,3 (рис 7) 20

-! ю £

0

• * ^ СР' а >в пламени

• 0 О о° о V 0 о о о о о 'стойчивое горение -----с?- О АСД-1

40

>

«ч 20

£

0

у^ 0 1 0 о 0 о Устойчи и----- 6 -О— вое горение

А ° 1° J 0 0 о °0 °0 °°° о * ° АСД-4

0,1

а/

0,2

0,3

Рис 7 Области устойчивого воспламенения и горения аэровзвеси порошков АСД-1 (а) и АСД-4 (б) в координатах скорость потока У0, - коэффициент а,. Ра = 0,1 0,3 МПа, То = 290 К

Для взвеси АСД-4 (и АСД-1 при а, < 0,06) граница области строго не

определена, так как в испытаниях не удалось получить срыва пламени Поэтому граница, проведенная пунктирной линией, соответствует максимально достигнутым в испытаниях значениям скорости первичного потока, при которых наблюдается устойчивое горение.

Исследовалось влияние параметров камеры сгорания на устойчивость горения алюминиево-воздушной смеси В испытаниях установки в широких пределах изменялись параметры вторичного потока- коэффициент избытка воздуха й2 = 1 10, режим подвода вторичного воздуха (критический, докритический), скорость высокотемпературного потока V2 = 50 . 500 м/с, давление рс= 0,15 1,5 МПа Во всех испытаниях наблюдалось устойчивое горение взвеси порошков АСД-1 и АСД-4 Изменение давления в камере соответствовало изменению расходов компонентов (алюминия и воздуха) Таким образом, испытания показали, что устойчивость горения алюминиево-воздушной смеси в экспериментальной установке полностью определяется устойчивостью процессов в форкамере, зависит от параметров первичного потока (а,, V,,,) и не зависит от параметров вторичного (а2, V2, рс)

Боровое горючее Стабилизация пламени в потоке аэровзвеси порошка бора была осуществлена без применения дополнительного источника тепла (высокотемпературного факела - сопроводителя) или дополнительных компонентов, облегчающих его воспламенение (кислород, пары воды, легко воспламеняемые металлы - магний, алюминий) В испытаниях установки достигнута стабилизация пламени в потоке боровоздушной смеси в широком диапазоне изменения значений параметров форкамерьг давления ра = 0,3 . 2,0 МПа, среднеобъемной скорости первичного холодного потока V0/ = 1 8 м/с, коэффициента избытка воздуха а/ = 0,06 0,15 (рис.8)

V0j м/с 42

8

4

0,04 0,08 0J2 0,16 СС

Рис 8 Область устойчивого воспламенения и горения аэровзвеси порошка Б-99 в координатах скорость потока V0i - коэффициент избытка воздуха а Pel = 0,3 5,0 МПа, То = 290 К

В главе 3, было показано, что при реагировании металлов со значительной долей азота верхний концентрационный предел распространения пламени по взвеси металлических частиц должен быть очень высоким, соответственно предельное значение а - очень низким. В испытаниях впервые

> О О ос

О с о

/О ф О ' °о о о о о ° о Ч О

было получено распространение пламени при очень низких коэффициентах избытка воздуха (0,04 < а < 0,10 для алюминия, рис 7 и 0,06 < а < 0,10 для бора, рис 8) Эти результаты подтверждают реальность реакции азотирования металлов в переобогащенных смесях

Эффективность горения В данной работе в качестве оценки эффективности процесса горения используется коэффициент камеры

<Рс= р'поКт^^Рг), где р'„о, - усредненные по времени значения давления заторможенного потока на входе в сопло и суммарный массовый расход компонентов на основном режиме, Гтт - площадь критического сечения сопла, рт -теоретическое значение расходного комплекса топливной системы алюминий-воздух Результаты испытаний иллюстрирует рис 9, на котором представлены зависимости <ре от давления в камере рс, дисперсности порошков и режима подвода вторичного воздуха (критический, соответствующий приведенной скорости воздуха Хшг2 — 1, и докритический - Ха1Г2« 1) Давление в камере при больших скоростях значительно изменяется вдоль потока, поэтому под значением рс понимается среднее значение давления в камере

Из анализа рис 9 следует 1) величина <рс при значениях рс < 0,7 МПа (порошок АСД-1) и рс < 0,3 МПа (порошок АСД-4) увеличивается с ростом давления, а при значениях рс > 0,7 МПа (АСД-1) и рс> 0,3 МПа (АСД-4) -изменяется мало, 2) величина <рс больше при критическом подводе вторичного воздуха, чем при докритическом, 3) <рс уменьшается при уменьшении дисперсности горючего

<Рс 0,9

0,8 0,7

Рис 9 Зависимость коэффициента камеры от давления

- критический подвод вторичного воздуха (Хшг2 = 1),---докритический подвод

вторичного воздуха (Ха1г2 « 1), о -АСД-1, Д -АСД-4

Увеличение коэффициента камеры (соответственно коэффициента полноты сгорания аэровзвеси алюминия) с ростом давления и уменьшением размера частиц алюминиевых порошков хорошо объясняется увеличением

/ ^ 1 1 Лддд А и -- . *ь л д

т ь4 / : о о -

0,5 1 1,5

р., МПа

скорости горения частиц при увеличении давления и уменьшении их размера ([1], гл 2) Увеличение <рс при критическом подводе вторичного воздуха вызвано лучшим перемешиванием потоков за счет повышенной турбулентности, возникающей при высокой скорости потока

Дисперсность и свойства выделенной к-фазы Результаты дисперсного анализа конденсированных продуктов, полученных при сжигании аэровзвеси порошка АСД-4 в установке, приведены на рис 10 (кривые построены в логарифмическом масштабе)

ЮО

Ю

£

/

■I

а/

О.О!

\ / \ / \ / \ \ \ \

1 VУ 1 1 \—^

1 1 1 \

с/, мкм

Рис 10 Дифференциальное распределение массы частиц по размерам -продуктов сгорания,---исходного апюминия (АСД-4)

Качественно кривая распределения массы конденсированных продуктов сгорания аэровзвеси алюминия по размерам частиц А120з (рис 10) совпадает с кривыми распределения продуктов сгорания алюминизированных составов, приведенных в работе [6] В целом, результаты дисперсного анализа доказывают одно из допущений, положенных автором в основу математической модели, описывающей процесс горения частиц алюминия крупнодисперсный оксид образуется при гетерогенном окислении частиц, а ультрадисперсный - при газофазном окислении паров алюминия Приведенные выше результаты также доказывают, что ни в форкамере, ни в основной камере сгорания и сопле во время испытаний экспериментальной установки за счет слипания и слияния в потоке и на поверхностях газового тракта не происходит существенного укрупнения (образования больших конгломератов) частиц к-фазы Крупные частицы продуктов сгорания не превосходят по своим размерам исходные частицы алюминия (см рис 10)

Теплозащита конструкции Огневые испытания экспериментальной установки на ПМГ подтвердили основные положения по тепловой защите элементов конструкции, изложенные в главе 3 Ресурсные огневые испытания установки со временем работы более 100 секунд показали хорошую тепловую и эрозионную стойкость применяемых серийно теплозащитных материалов

поверхности камеры сгорания и сопла Испытания также показали, что частицы оксида алюминия практически не налипают на стенки КС и сопла (из-за очень большой скорости потока - сотни м/с) Большей адгезией обладают капли алюминия Алюминий существенно накапливается при низком коэффициенте полноты сгорания ((рсот < 0,7) в докритической части сопла При полноте сгорания <рсот > 0,9 частицы А1 в сопле практически не налипают

Полностью подтвердились выводы, приведенные в главе 3, по применению серийных ТЗМ в камере первичного горения (форкамере) При времени работы установки более 10 секунд происходит почти полное зарастание конденсированной фазой проточного тракта Испытания установки показали, что материалы, дающие при разложении кокс, для использования в качестве ТЗМ форкамеры непригодны На основании многочисленных испытаний экспериментальной установки было установлено, что для тепловой защиты ФК лучше всего подходят абляционные материалы с «жертвенным уносом массы», такие как полиметилметакрилат (оргстекло)

Работоспособность установки Огневые стендовые испытания подтвердили возможность длительного функционирования установки сжигания металлов в широком диапазоне внутрикамерных параметров Время непрерывной работы установки в некоторых испытаниях превысило 100 секунд При этом элементы конструкции форкамеры и камеры сгорания сохранили свою работоспособность Проведённый после испытаний осмотр элементов конструкции, подвергшихся воздействию высоких температур и высокоскоростного потока конденсированной фазы, подтвердил возможность их дальнейшего функционирования

В главе 5. сравнением результатов расчетов (по созданной математической модели) и испытаний экспериментальной установки уточнены кинетические характеристики горения алюминиево-воздушной смеси. Это позволило скорректированы параметры математических моделей, описанных в главах 2 и 3 Наименее точно в этих моделях определены коэффициенты испарения (конденсации) субоксидов АЬО (ог£2) и А10 (ссЕ}) Наибольшую погрешность в расчеты вносит неточность определения коэффициента аЕг Результаты расчетов, приведенные в главе 2, показывают, что доля субоксида АЮ в потоке горящей алюминиево-воздушной смеси намного меньше (на несколько порядков) доли субоксида А120 (при равенстве коэффициентов аЕ2 и аЕ}) Даже при максимальном значении коэффициента аЕ, =1 содержание АЮ остается меньше, чем А120, в широком диапазоне значений коэффициента избытка воздуха Поэтому, не внося большую неточность в модель, можно и далее считать, что аЕг = а£2 Если заданы все исходные параметры испытания, схема подвода воздуха и площади поперечных сечений проточного тракта установки, то модель, разработанная в данной работе, позволяет рассчитать все внутрикамерные параметры, в том числе распределение давления по длине камеры Варьирование величины коэффициента аЕ2 при расчете и сопоставление рассчитанных значений давлений и измеренных в испытании

позволяет определить конкретную величину этого коэффициента

Рассчитаны основные параметры потока температура, давление, скорость, парциальные давление компонентов Построен график изменения давления вдоль оси установки при разных значениях коэффициента испарения (конденсации) А120 Кривые расчетных давлений располагаются на графике одна под другой в зависимости от коэффициента испарения А120 Чем больше значение коэффициента аВ2, тем выше находится соответствующая ему кривая На графике также приведены экспериментальные значения давлений, с учетом их погрешностей Из сравнения расчетных кривых и экспериментальных значений давлений следует, что наиболее вероятная величина коэффициента испарения (конденсации) А120 аЕг = 0,0025

Математическое моделирование по модели, описанной в главе 3 (с уточненными коэффициентами испарения) процессов в камере сгорания установки позволило исследовать влияние давления не только на коэффициент камеры срс, но и на другие коэффициенты эффективности полноты сгорания частиц алюминия срр! и полноты превращения алюминия в А1203 (рсот На рис 11 представлена расчетная зависимость от давления коэффициентов эффективности (р; камеры сгорания экспериментальной установки (при сжигании порошка АСД-4 и критическом подводе вторичного воздуха) Здесь же нанесены экспериментальные значения коэффициента камеры <рс с учетом их погрешностей

1,0 0,9 §■ 0,8 0,7 0,6

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

рс, МПа

Рис 11 Зависимость коэффициентов эффективности камеры сгорания от

давления при сжигании в установке аэровзвеси порошка АСД-4 И/ = 0,24, - 1,5, а? = 3, Ртт/Рс = 0,557,--расчет, • - эксперимент

Сравнение экспериментальной и теоретической зависимостей коэффициента камеры от давления <рс(рс) указывает на их согласование В

конечном итоге - на адекватность матмоделирования внутрикамерных процессов в установках на порошкообразном алюминиевом горючем

Расчеты также показали, что при давлении в камере сгорания установки более 0,27 МПа частицы алюминия всех фракций порошка сгорают полностью (фр, = 1) и неполное выделение тепла объясняется неполным превращением

субоксида А120 в конечный продукт - А120з (<ртт < 1) При давлении в потоке менее 0,15 МПа в зоне интенсивного подвода холодного вторичного воздуха (Г < 300 К) происходит погасание (из-за срыва теплового равновесия) большинства частиц, воспламенившихся и частично сгоревших в ФК Далее по потоку эти частицы не воспламеняются, а если и воспламеняются, то не успевают полностью сгореть в КС Низкое значение коэффициента камеры <рс объясняется в этом случае недогоранием частиц {(рр! < 1) и в меньшей степени недогоранием А120

В главе 6 на основе экспериментально-теоретических исследований процессов пневмотранспорта порошков металлов, их распыления (гл 3) и сжигания в воздушном потоке (гл 2-4) разработана конструктивная схема и основные элементы конструкции регулируемого ПВРД ПМГ В разработке элементов конструкции двигателя на ПМГ также были использованы результаты работ по исследованию охлаждения продуктов сгорания твердых газогенераторных топлив в порошкообразном емкостном охладителе

Устройство и конструкция Конструкция ПВРД ПМГ включает следующие основные системы и элементы 1) газогенераторную систему, 2) систему подачи порошкообразного горючего, 3) воздухозаборное устройство (ВЗУ), 4) систему первичного смешения и воспламенения первичной смеси, 5) систему вторичного смешения и сжигания вторичной смеси

Газогенераторная система предназначена для обеспечения работоспособности системы подачи порошкообразного горючего и газового привода запорно-регулирующего клапана В некоторых случаях газогенераторная система может быть использована для обеспечения газом привода аэродинамических рулей управляемых ракет Газогенераторная система состоит из газогенераторного топлива, газогенератора, порошкообразных емкостных охладителей (обеспечивают температуру охлажденного газа ниже предельно-допустимой для системы подачи и газового привода), стравливающего клапана, стабилизатора давления (обеспечивает постоянное давление газа в газогенераторе)

Система подачи предназначена для подачи металлического горючего в систему первичного смешения и воспламенения и состоит из бака с порошкообразным горючим, поршня с перепадным клапаном и запорно-регулирующего клапана с приводом (обеспечивает заданный расход ПМГ)

Система первичного смешения и воспламенения предназначена для смешения металлического горючего (истекающего из бака системы подачи) с первичным воздухом (поступающим из воздухозаборника), воспламенения образованной металловоздушной смеси, стабилизации пламени и первичного горения. Система состоит из устройства, обеспечивающего столкновение струй

порошка, распределителя первичного воздуха, воспламенителя (с зарядом твердого металлизированного топлива) и форкамеры

Система вторичного смешения и сжигания предназначена для смешения продуктов первичного горения металловоздушной смеси (истекающей из форкамеры) и вторичного воздуха (поступающего из воздухозаборника) и сжигания образованной вторичной смеси Система состоит из распределителя вторичного воздуха, камеры сгорания и сопла

Воздухозаборное устройство здесь не рассматривается, так как в ПВРД ПМГ используются обычные ВЗУ прямоточных двигателей

Обоснование работоспособности и эффективности основных систем Газогенераторная система Для обеспечения работоспособности регулируемой системы подачи ПМГ необходим постоянный источник газа с повышенным давлением (более 1,5 МПа) При жестких ограничениях объема и массы, предъявляемых к современным управляемым ракетам (УР), неизбежно обращение к газогенераторам (ГТ) на твердом топливе Совокупность наиболее жестких требований к газогенераторам состоит в следующем а) низкая температура газа (350 600 К), б) продолжительное время работы (> 100 с), в) стабильность температуры газа, д) отсутствие в газе конденсированной фазы и малое содержание паров воды Выполнение именно таких требований газогенераторной системой необходимо для нормального функционирования регулируемой системы подачи ПМГ Указанные требования ограничивают применение серийных газогенераторных топлив. Типовые (разлагающиеся) охладители не обеспечивают продолжительного времени работы генератора и требуемой чистоты газа

В диссертационной работе предложены охладители нового типа, которые позволяют перейти к широкому применению ГГ с обычными серийными газогенераторными топливами в качестве источников холодного газа Работа предлагаемых порошкообразных теплоаккумулирующих охладителей основана на эффекте волнового теплообмена, который возникает при определенных условиях в процессе фильтрации горячего газа через порошковый материал Созданы физическая и математическая модели, описывающие этот процесс

Основные допущения 1) рассматривается установившийся газодинамический процесс (но не установившийся процесс теплообмена и конденсации) при фильтрации горячей газовой смеси, содержащей пары воды, через однородную порошковую среду, 2) все переменные параметры изменяются только вдоль направления фильтрации газа, 3) порошковая среда состоит из множества плоских проницаемых слоев, перпендикулярных потоку газа, толщина слоя <5 равна среднему размеру частиц, 4) сопротивление переносу тепла и влаги внутри слоя равно нулю, а на границах слоя принимает конечные значения, 5) не учитывается радиационный перенос тепла от слоя к слою, 6) процессы тепло-массообмена подобны (число Льюиса Ье = 1, критерий Нуссельта тепловой и диффузионный равны)

Для каждого слоя записываются дифференциальные уравнения баланса энтальпии, влаги и начальные условия (для первого и последнего слоя записаны

также граничные условия) Интегрирование системы уравнений, начальных и граничных условий позволило определить динамику процессов тепломассообмена при фильтрации газа в пористой среде Расчетами показано, что при определенном значении параметров в пористой среде возникают волны конденсации и теплообмена, которые распространяются вдоль газового потока по объему порошка (рис 12)

©

0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0

0 100 200 300 400 500 600 700 х/д

Рис 12 Процессы теплообмена и конденсации при фильтрации продуктов сгорания газогенератора в порошкообразном охладителе

0-безразмерная температура газа, х- координата, г- безразмерное время

Создан экспериментальный низкотемпературный твердотопливный газогенератор (с порошкообразным емкостным охладителем) для исследования процессов теплообмена и конденсации при фильтрации продуктов сгорания

Газогенератор с охладителем включает в себя корпус ГГ 1, твердотопливный заряд 2, инициатор с воспламенителем 3, узел соединения ГГ с охладителем 4, корпус охладителя 5, охладитель б, сопло 7

Проведено более 100 огневых стендовых испытаний ГГ (использовались серийные твердые газогенераторные топлива) с охладителями из разного порошкового материала (порошкообразный бор, кварцевый песок) В испытаниях регистрировались температуры неохлажденного (1300 1600 К) и охлажденного (300 . 500 К) газа, крутой фронт температур, связанный с

\

1

фронт перемещения тепла

|

- 10 - Т-100 1 лпп

1

1

1 Фронт перемещения влаги -1-1-1-Ч

волной теплообмена и фронт температур, связанный с конденсационной волной внутри охладителя Результаты испытаний подтвердили волновой процесс теплообмена в порошкообразном емкостном охладителе (полученный математическим моделированием), низкую и стабильную температуру охлажденного газа, стабильный его расход, отсутствие в нем конденсированной фазы, приемлемый для практики перепад давления на охладителе и высокую газовую постоянную холодных продуктов сгорания Максимальное время охлаждения, достигнутое в испытаниях, составило 360 с

Система регулируемой подачи ПМГ Адаптация работы двигателя к условиям полета требует плавного, обратимого изменения величины тяги Совершение маневра УР требует резкого, скачкообразного изменения тяги Соответственно должен изменяться и расход топлива Прямоточный двигатель на ПМГ в отличие от РДТТ и РПД позволяет обеспечить как первое, так и второе условие регулирования тяги в широких пределах за счет соответствующего регулирования расхода порошкообразного горючего

Возможность регулируемой стабильной подачи ПМГ была проверена в серии испытаний по автономной отработке системы подачи Подача ПМГ осуществлялась устойчиво в интервале расходов бял/г= 0,11 1,25 кг/с

Система первичного смешения и воспламенения Испытания экспериментальной установки, приведенные выше, доказали высокую устойчивость пламени в форкамере при резком, многократном изменении расхода ПМГ или воздуха Такие результаты позволяют реализовать низкоскоростное течение первичного потока при любой дозвуковой скорости основного, тем самым обеспечить надежную стабилизацию пламени и эффективный рабочий процесс в камере сгорания ПВРД ПМГ Также было показано, что устойчивость горения алюминиево-воздушной смеси полностью определяется устойчивостью процессов в форкамере, зависит от параметров первичного потока и не зависит от параметров вторичного потока Таким образом доказана высокая устойчивость рабочего процесса в ПВРД ПМГ в целом Это свойство ПВРД ПМГ очень важно для управляемых ракет, так как существенно повышает их возможности резкого маневра и по модулю скорости, и по ее направлению

Огневые испытания установки также показали, что если проходное сечение ФК не загромождено стабилизаторами пламени или другими элементами конструкции, а ее стенки облицованы абляционным материалом, то высокая концентрация к-фазы (низкое значение коэффициента а, меньше 0,2) не сказывается отрицательно на работе форкамеры и двигателя в целом В этом случае не происходит отложение к-фазы на стенки и элементы конструкции

Система вторичного смешения и сжигания Положительным следствием способа организации внутрикамерных процессов, разработанного в данной работе, является отсутствие в камере сгорания ПМГ стабилизирующих устройств (плохообтекаемых тел), которые существенно увеличивают гидравлическое сопротивление КС, соответственно увеличивают потери

полного давления, особенно при больших начальных скоростях потока [14]. Потери полного давления приводят в конечном итоге к снижению к п.д и тяги двигателя Поэтому гидравлические потери всегда стремятся свести к минимуму Отсюда следует, что начальная скорость в камере сгорания прямоточного двигателя со стабилизирующими пламя устройствами должна быть ограничена значением, при котором гидравлические потери несущественны. Однако, с другой стороны, ограничения начальной скорости в камере сгорания прямоточного двигателя нежелательно, так как оно приведёт к снижению коэффициента тяги [14], в конечном итоге - к снижению маневренности летательного аппарата с таким двигателем Прямоточный двигатель на ПМГ без стабилизаторных устройств "(плохообтекаемых тел) в КС так же, как и РПД, лишен этого недостатка

Большим преимуществом ПВРД ПМГ по сравнению с ПВРД на керосине и ракетно-прямоточными двигателями на металлизированном топливе является независимость размеров частиц диспергированных горючих от внешних и внутренних условий (начальной температуры горючего, давления в камере, перепаде давления на форсунке, скорости потока и др.). Огневыми испытаниями экспериментальной установки показано (описано в гл 4), что ни в форкамере, ни в основной камере сгорания и сопле за счет слипания и слияния в потоке и на внутренних поверхностях, не происходит существенного укрупнения (агломерации) частиц к-фазы Крупные частицы продуктов сгорания не превосходят по своим размерам исходные частицы алюминия (см рис 10). Отсюда следует важный вывод- варьируя в определённых пределах дисперсность исходных металлических горючих (размер частиц > 1 мкм), можно существенно влиять на характеристики внутрикамерных процессов ПВРД ПМГ и добиваться их высокой эффективности в более жестких условиях (например, при более низком давлении или в меньших габаритах КС) Таким образом, применение металлических горючих в прямоточном двигателе позволяет уменьшить массу и габариты не только топливного бака, но и камеры сгорания, и ПВРД ПМГ в целом

Теплозащита конструкции На основании испытаний экспериментальной установки было установлено, что для тепловой защиты ФК лучше всего подходят абляционные материалы с «жертвенным уносом массы» Здесь появляется возможность существенно оптимизировать массогабаритные параметры ПВРД ПМГ Использование в качестве ТЗМ легко разлагающихся материалов с высокой теплотворной способностью (например, полиэтилена) позволяет не только надежно защитить конструкцию форкамеры, но и уменьшить требуемую массу и объем бака с ПМГ и двигателя в целом. Проведенные оценки показали, что в зависимости от конструкции ПВРД ПМГ и условий его применения масса металлического горючего может быть уменьшена на 10 .. 30 % Возможность использования высокоэнергетичных твердых полимерных горючих в качестве ТЗМ стенок форкамеры связана с очень низким коэффициентом избытка окислителя в первичной смеси Из-за низкого значения коэффициента а продукты разложения полимерных горючих не будут сгорать и выделять тепло в ФК, вызывая повышение температуры и

соответствующее увеличение скорости разложения ТЗМ Вместе с продуктами первичного горения металловоздушной смеси они поступят в основную камеру сгорания, где сгорят и выделят дополнительное тепло

Влияние параметров полета на внутрикамерные процессы ПВРД на алюминиевом горючем Внутрикамерные процессы прямоточных двигателей, в отличие от ракетных, зависят от параметров полета (высоты и скорости) не только косвенно, через задаваемую тягу, но и непосредственно - через параметры потока воздуха, поступающего в камеру сгорания Давление и температура на входе в камеру находятся в зависимости от высоты и скорости полета Проведено математическое моделирование влияния давления в камере сгорания и температуры заторможенного потока на внутрикамерные процессы в ПВРД на алюминиевом горючем (АСД-4) Для расчета приняты характерные для УР с ПВРД условия полета на большой высоте1 атмосфера - стандартная, Н= 11 25 км, Мн = 2,5 .. 5, давление в КС рс = 0,15 0,17 МПа, температура заторможенного воздуха Т'н = 500 1300 К При низком давлении в КС (менее 0,2 МПа) и температуре заторможенного воздуха менее 900 К выявлено сильное влияние длины смешения вторичного воздуха на коэффициенты эффективности внутрикамерных процессов

Рис 14 иллюстрирует полученную расчетом зависимость коэффициентов эффективности камеры ПВРД на алюминиевом горючем от температуры заторможенного воздуха Из графиков следует, что повышение температуры воздуха, поступающего в КС, существенно повышает эффективность сжигания алюминиевого горючего в ПВРД, особенно при Т'н > 900 К {МИ > 4)

Рис 14 Зависимость от температуры заторможенного воздуха коэффициентов эффективности камеры сгорания ПВРД на ПМГ (АСД-4)

В главе 7 проведен анализ методов получения ультрадисперсных порошков (УДП), который показал, что в настоящее время не существует метода, позволяющего получать промышленным путем с высокой

производительностью и экономичностью высококачественные ультрадисперсные оксиды металлов Таким методом может стать способ получения дисперсных оксидов при сжигании аэровзвесей порошков металлов Анализ особенностей образования оксида при горении частиц алюминия, проведенный в гл 1, указал на возможность получить в продуктах сгорания аэровзвесей порошка алюминия ультрадисперсный оксид с частицами сферической формы.

Теоретические исследования влияния внутрикамерных параметров на дисперсность оксида, полученного сжиганием аэровзвесей алюминия Доля оксида, образовавшегося к окончанию горения А1 в ультрадисперсном виде, зависит от параметров окисляющей среды (давления, температуры, состава) На основе модели горения частицы алюминия (гл 2) проведены исследования влияния начального размера частицы и параметров окисляющей среды на процесс образования оксида Расчетами показано- изменяя параметры среды и размер частицы, можно осуществлять переход от гетерогенного горения к газофазному, тем самым в широких пределах изменять дисперсность оксида

На основе модели горения полифракционной аэровзвеси частиц алюминия (гл 3), созданной в соответствии с реализованным в экспериментальной установке способом организации сжигания металловоздушной смеси, проведен комплекс расчетов, позволивший определить основные закономерности синтеза ультрадисперсного оксида В расчетах учтено расширение потока и возможность подвода дополнительного воздуха перпендикулярно потоку в двух зонах (схема течения аэровзвеси и подвода воздуха показана на рис 15)

Воздух 2

1111

Воздух 3

Воздух 1 ¡.„„.„.„к + А1

С=>

Продукты сгорания

I

i......"S

Хо Х1 Х,+Ьт, X,.; Хр2 Х2 Х2+Ьт2 ХГ Х

Рис 15 Расчетная схема течения потока аэровзвеси частиц алюминия

Рассматривается воспламенение и первичное горение первоначально перемешанной смеси порошка алюминия (АСД-4) с первичным воздухом (от т х0 до т х/), смешение воспламенившейся смеси со второй частью воздуха и горение в первой зоне смешения (длина зоны Ьт,), расширение потока (от т хП до т хГ2), смешение с третьей частью воздуха и горение во второй зоне смешения (длина зоны 1т2), догорание аэровзвеси (от т. х2+Ьт2 до т хг)

Коэффициент избытка воздуха алюминиево-воздушной смеси в расчетах

равен- первичный поток а/= 0,2, в конце первой зоны смешения - а2 = 0,2 2, после второй - а = 3,6 Численное моделирование осуществлялось в предположении 1) в начальном сечении потока пламя уже существует, 2) частицы самой мелкой фракции порошка уже воспламенились, 3) частицы остальных фракций в начальном сечении не воспламеняются (их воспламенение происходит в последующих сечениях в соответствии с условием воспламенения) Принятые для начального сечения потока значения параметров приведены в табл 2

Таблица 2 Начальные значения параметров

Параметр Фракция 1 Остальные фракции Газ

Массовая доля фракции 0,1 0,9 -

Размер частиц, мкм 3 5 ..31 -

Температура, К 2400 300 2500

Скорость, м/с 20 20 40

Давление, МПа - - 0,215

Численное моделирование горения аэровзвеси порошка АСД-4 и синтеза оксида позволяет сделать следующие основные выводы. 1) в процессе горения крупнодисперсный (5С;) и УДП (Яис/) оксид может как накапливаться, так и разлагаться (в первичном потоке и первой зоне смешения) с образованием паров алюминия и субоксидов АЬО и А10, 2) доля ультрадисперсного оксида резко возрастает в начале второй зоны смешения, 3) максимальная доля УДП оксида ~ 0,9) получается при низком коэффициенте избытка воздуха в первой зоне смешения (а2 = 0,3 0,5), соответственно при подводе меньшей части воздуха в первую зону и подводе основной части - во вторую (рис 16)

а 2

Рис. 16 Доля УДП в зависимости от коэффициента а в первой зоне смешения а, = 0,2, а = 3,6, х, = 25 см, L„, = 5 см, Lm2 = 40 см, Х{ =115 см

Экспериментальная технологическая установка На основе результатов расчетов влияния параметров на процесс образования оксида и разработанного способа организации процессов сжигания алюминия создана экспериментальная технологическая установка, позволяющая получать порошки оксида алюминия с разной дисперсностью Схема технологической установки практически совпадает со схемой установки для сжигания аэровзвесей порошков металлов, приведённой на рис 6 Испытания установки с использованием промышленных алюминиевых порошков (АСД-1 и АСД-4), описанные в гл 4 подтвердили возможность длительного функционирования установки, надежное воспламенение, стабильное горение алюминиево-воздушной смеси и устойчивость процесса синтеза оксида в широком интервале параметров. Испытания технологической установки дополнительно подтвердили ее высокую производительность При расходе алюминиевого порошка 0,1 0,2 кг/с в устройстве отбора за каждую секунду испытания улавливалось 0,15 0,3 кг дисперсного оксида Все испытания проводились с использованием в качестве исходного продукта порошка марки АСД-4, с критическим подводом вторичного воздуха в камеру сгорания

Экспериментальные исследования влияния внутрикамерных параметров на дисперсность оксида Исследовалось влияние параметров горения (давления, температуры) аэровзвеси алюминия и условий вторичного смешения на дисперсный состав полученного в технологической установке оксида В частности, определялась доля крупнодисперсного оксида алюминия а Дисперсность отобранных продуктов определялась по методике, позволяющей получать полное распределение количества и массы частиц по их размерам (Гусаченко Е И , Стесик Л Н , Фурсов И П., Шевцов В И) Параметры установки в испытаниях принимали значения давление в КС 0,10 1,3 МПа, термодинамическая температура продуктов сгорания 1500 3500 К Вторичный воздух в камеру сгорания вводился через узкий кольцевой зазор (щель) и множество отверстий в стенке камеры сгорания Доля вторичного воздуха, подаваемого через зазор, варьировалась от 30 до 90 %

Испытания показали, что величина а зависит не от конечной температуры продуктов сгорания, а от температуры в зоне интенсивного горения алюминия Непосредственное влияние на температуру в зоне интенсивного горения и тем самым на параметр а оказывает коэффициент избытка воздуха а, в зоне щелевого ввода вторичного воздуха в камеру сгорания. Зависимость величины параметра о от коэффициента а, в зоне щелевого ввода воздуха иллюстрирует рис 17 При увеличении коэффициента а„ от 1 до 2 величина а возрастает от 2 3 до 50 % Резкое возрастание а в диапазоне а5 = 1,4 .1,7 связано со сменой механизма горения частиц алюминия Таким образом, испытания установки показали- изменяя условия смешения воспламенившейся аэровзвеси алюминия и вторичного воздуха в камере сгорания, можно изменять дисперсность конечного продукта в широких пределах. Такой вывод хорошо согласуется с выводами, полученными выше на основе расчетов по моделям, разработанным в диссертации

О.75 1,0

/.25 <5

7 75 оЦ

Рис. 17. Влияние коэффициента избытка воздуха в зоне щели на параметр а:

р = 0,2... 0,5 МЛа; а = 2,5... 5

Свойства ультрадисперсного оксида алюминия - целевого продукта метода. В результате испытаний установки была получена опытная партия порошка у - оксида алюминия. Методом осаждения свободных частиц в слабо к он центрированной суспензии, из конденсированных продуктов сгорания выделен ультрадисперсный оксид, пробы которого подвергли анализу с определением химического, фазового и дисперсного состава. Микрофотография (рис. 18), иллюстрирует вид частиц оксида под электронным микроскопом (увеличение 50000 раз). Вид выделенных частиц, показывает,имеют сферическою^орл

Рис. 18. Частицы оксида под электронным микроскопом

Из интегральных распределений по размерам частиц (рис 19) следует, что размеры частиц заключены в интервале 0,03-0,3 мкм Часть выделенного оксида термообработкой при температуре 1200°С была переведена в а-модификацию Пробы а - оксида также подвергли анализу Определение удельной поверхности разных проб показало, что дисперсность порошков а- и у- модификаций практически совпадает. Таким образом, процесс перевода порошка у —А120з в а -А1203 не повлиял на его дисперсность

3

100

5 £

0

0,3

0,1 0,2 £>„ мкм

Рис 19 Интегральные распределения частиц по их размерам

Рентгеноструктурный анализ образцов оксида алюминия установил, что они состоят из а- или у-модификаций Других фаз в образцах не обнаружено Это подтверждает однородность фаз в образцах Химический анализ показал, что основу полученных образцов составляет оксид алюминия (А1203) - более 99% Основные примеси - оксид железа (Ее^Оз), оксид кремния (БЮг), оксид кальция (СаО) Углерода в составе порошков не обнаружено Это указывает на то, что частицы теплозащитного покрытия не загрязняют конечный продукт Основные примеси соответствуют примесям, содержащимся в исходном порошке алюминия (Ре, 81, С а)

Из полученных образцов ультрадисперсного /-оксида алюминия сотрудниками ГНУ «Научный центр порошкового материаловедения» при ПГТУ, по стандартной технологии без применения каких-либо дополнительных приемов при спекании на воздухе получена корундовая керамика с размером зерна менее 1 мкм (определен рентгенографически по методу Дебая), с кажущейся плотностью 3,6 . 3,65 г/см3, относительной плотностью около 0,9

В главе 8 автором предложено прямое использование в качестве внеземного компонента топлива реактивных двигателей посадочных ступеней КЛА воды и азота, добываемых на поверхности космических объектов В работах Шафировича ЕЛ и Гольдшлегера У И при исследовании Марса впервые предлагалось использовать ракетный двигатель на металлическом горючем, транспортируемом с Земли, и окислителе - углекислом газе добываемом из марсианской атмосферы. Проведенный анализ показал что большую перспективу использования в двигателях посадочных ступеней КЛА

имеет вода Во-первых, она наиболее распространена на поверхности тел Солнечной системы (водяной лед присутствует на полюсах Марса, на поверхности спутников Юпитера - Европе, Ганимеде, Каллисто, практически на всех спутниках Сатурна, Урана, Нептуна) Во-вторых, по отношению к металлам водяной пар является достаточно активным окислителем В среде водяного пара частицы металлов (алюминий, магний, бор) воспламеняются при более низких температурах и горят более интенсивно, чем в среде диоксида углерода Это связано с различным воздействием Н2О и СО2 на оксидные пленки, покрывающие поверхность металлов [1, 2] В-третьих, водяной пар и особенно продукт его реакции с металлами (водород) являются и более эффективным рабочим телом (обладают более низким молекулярным весом), чем оксиды углерода Поэтому величина удельного импульса топлива Ме - Н20 выше, чем - Ме - С02 Удельный импульс топлива А1 - Н20 достигает значения 3 кН с/кг, а у топлив Мц - СОг и А1 - СОя - не превосходит 2,2 кН с/кг (для традиционных топлив двигателей КЛА НДМГ - N204 JSp- 3,3 кН с/кг)

В соответствии с данными, полученными в недавнее время европейским зондом «Гюйгенс», спутник Сатурна Титан обладает плотной атмосферой, состоящей в основном из азота Азот внеземных объектов также можно использовать в качестве окислителя и рабочего тела для реактивных двигателей КЛА Расчеты показали, что при полете в холодной (Т = 93 К) азотной атмосфере Титана наибольшим преимуществом обладают летательные аппараты с прямоточным реактивным двигателем на боровом горючем В этом случае при скорости аппарата равной 600 м/с удельная тяга двигателя может достигать значений 14 . 16 кН с/кг Такая возможность обусловлена экзотермической реакцией азотирования [4, 5] Испытания экспериментальной установки сжигания ПМГ (алюминий - АСД-1, АСД-4 и бор - Б-99), описанные в гл 4, показали надежное воспламенение и устойчивое горение металловоздушных смесей при очень низких коэффициентах избытка воздуха а (для А1 - 0,04 и для В - 0,06) Это указывает на наличие экзотермической реакции азотирования, протекающей при отсутствии кислорода, который расходуется в реакциях окисления на начальных стадиях процесса

Анализ возможных схем двигательных установок на внеземных окислителях показал, что двигатель на порошкообразном металлическом горючем является наиболее оптимальным вариантом

Организация воспламенения и горения ПМГ в Н2О, СО2 и N2 Воспламенение и горение ПМГ в смесях с СОг или Н20 или N2 можно обеспечить добавкой небольшого количества компонента, содержащего большое количество кислорода с низкой энергией молекулярной связи Например, азотного тетраоксида (N204), содержание кислорода в котором около 70% Выше (гл 4) было указано на надежное воспламенение и горение сильно обогащенных алюминиево-воздушных и боровоздушных смесей Заменив чистый металл, смесью Ме+^Од и добавив С02 или Н20 или азот, можно получить смесь, близкую по составу к легко воспламеняемой металловоздушной смеси Из-за низких стехиометрических коэффициентов

реакции металлов с кислородом потребуется не очень большое количество азотного тетраоксида При этом термодинамические расчеты показывают, что удельный импульс изменяется незначительно (падает не более чем на 5 %)

Конденсированная фаза и двухфазные потери Особенностью предлагаемых топлив является высокое содержание к-фазы в продуктах сгорания. Например, топливо А1-Н20 при отношении компонентов к = 1 дает максимальное содержание к-фазы - около 90% по массе Обычно это приводит к большим потерям удельного импульса Однако потери на двухфазность можно значительно уменьшить, если перевести к-фазу в ультрадисперсное состояние (размер частиц < 0,5 мкм) Такого эффекта в предлагаемом двигателе можно добиться особыми методами организации внутрикамерных процессов (в соответствии с рекомендациями, описанными в гл 7)

Схема ракетного двигателя на ПМГ и внеземных окислителях На основе результатов исследований, описанных автором в предыдущих главах, разработана схема ракетного двигателя на порошкообразном алюминии и окислителе, добываемом на поверхности космических объектов (рис. 20)

Ракетный двигатель включает в себя камеру сгорания, систему подачи ПМГ 1, баки внеземного окислителя 7, гидразина 13 и азотного тетраоксида 14, баллон, заряженный сжатым азотом 6, двухкомпонентный жидкостный газогенератор (ЖГТ) 12 с повышенным содержанием кислорода в продуктах сгорания, турбонасосный агрегат (ТНА) 11.

Камера сгорания включает в себя форкамеру 2, собственно КС 4 с многозонной подачей жидкого окислителя (Н20 или С02) и сопло 5. Для подачи окислителя (азотного тетраоксида) и горючего (гидразина) в ЖГТ, а также для псевдоожижения ПМГ и подачи его в ФК применяется сжатый азот Внеземной окислитель подается в КС насосами Газ из газогенератора после совершения работы на турбине ТНА поступает в тракт окислителя

подаваемого в форкамеру КС, обогащая газообразный окислитель (Н2О или С02) кислородом, что облегчает воспламенение ПМГ Из этого же тракта отбирается небольшое количество газа для наддува баков окислителя. В форкамере КС применено транспирационное охлаждение запасаемым окислителем, в остальной части КС и сопле - охлаждение прокачкой окислителя по межрубашечному пространству Воспламенение в моменты запусков двигателя осуществляется пиротехническими воспламенителями 3, размещенными в форкамере, остановки двигателя — перекрытием пускоотсечных клапанов на трубопроводах т и запорно-регулирующего клапана системы подачи ПМГ.

ВЫВОДЫ

1 Создана математическая модель воспламенения и горения частицы алюминия в потоке активных газов, учитывающая кинетические ограничения процессов Проведенные по модели расчеты показали

а) в отличие от уже существующих предложенная модель адекватно описывает процессы образования оксида, расчет доли оксида, накопившегося на частице, хорошо согласуется с опытными данными,

б) модель хорошо описывает и объясняет экспериментальные зависимости времени горения частиц алюминия от их размера и основных параметров (скорости, температуры, давления и содержания окислителя);

в) в созданной модели получают ясную интерпретацию некоторые известные экспериментальные факты горения частиц алюминия, связанные с образованием оксида (асимметричность горения, распад частицы на отдельные капли, появление полых сфер в продуктах сгорания)

На основе этой модели разработана математическая модель горения в высокоскоростном потоке полифракционной аэровзвеси частиц алюминия, впервые учитывающая кинетику и неравновесную термодинамику процессов горения, как на поверхности частиц, так и в объеме потока Модель позволяет рассчитывать горение сильно переобогащенной алюминиево-воздушной смеси Выполненные расчеты горения порошков алюминия АСД-1 и АСД-4 показали

а) горение аэровзвеси частиц алюминия протекает в условиях сильной температурной, скоростной и химической неравновесности;

б) после сгорания всех частиц при а < 1 значительная доля алюминия находится в газовой фазе в виде субоксида А120, поэтому сумма долей крупнодисперсного и ультрадисперсного оксида не равна 1,

в) доля субоксида А10, образовавшегося на поверхности частиц, незначительна, и ее практически можно не учитывать,

г) доля субоксида А10, образовавшегося в объеме потока также незначительна (много меньше доли пара А1 и А120) и ее необходимо учитывать только при а = 0,7 1,2

2 Разработан новый способ организации внутрикамерных процессов в двигательных и технологических установках на ПМГ и методы исследования таких процессов

а) предложены новые принципы организации процессов в двигательных и

технологических установках на ПМГ (регулируемой подачи и распыления металлических порошков в воздушном потоке, сжигания металловоздушной смеси, защиты стенок камеры от воздействия высокотемпературного двухфазного потока с высокой концентрацией конденсированной фазы),

б) разработан способ сжигания порошков металлов в воздушном потоке, учитывающий важнейшие особенности горения металловоздушных смесей без применения специальных механических устройств (решетки, плохообтекаемые тела, уступы и т п), вызывающих аэродинамическую рециркуляцию двухфазного потока;

в) предложен метод улавливания конденсированной фазы из высокотемпературного потока продуктов сгорания ■установок на ПМГ, который позволяет выделить целевой продукт, полученный в технологических установках (дисперсные оксиды металлов), решить исследовательские задачи и устранить ряд экологических проблем

В соответствии с разработанным способом организации сжигания ПМГ создана математическая модель, которая позволяет детально изучить процесс воспламенения и горения полифракционной аэровзвеси частиц металлов применительно к условиям работы камеры сгорания двигательных и технологических установок на ПМГ

3 На основе учета особенностей горения металловоздушных смесей создана экспериментальная установка, позволяющая исследовать в широком интервале параметров воспламенение и горение металлических порошков и синтез порошкообразных оксидов металлов Испытания экспериментальной установки с использованием алюминиевых порошков (АСД-1 и АСД-4) и субмикронного порошка бора марки Б-99 показали

а) возможность длительного функционирования установки,

б) воспламенение и устойчивое горение алюминиево-воздушной смеси в широком интервале значений параметров давление -0,1 1,0 МПа (алюминий), 0,3 . 1,0 МПа (бор), коэффициент избытка воздуха 1 10,

в) устойчивость горения алюминиево-воздушной смеси полностью определяется устойчивостью процессов в форкамере, зависит от параметров первичного потока и не зависит от параметров вторичного потока,

г) стабилизация пламени в первичной смеси была достигнута при низких значениях коэффициента а; = 0,04 0,3 (алюминий), 0,06 0,15 (бор) и низкой среднеобъемной скорости холодного потока аэровзвеси порошков АСД-1 -1 .12 м/с, АСД-4 - 1 40 м/с и Б-99 - 1 8 м/с,

д) эффективность сжигания алюминиево-воздушной смеси возрастает с увеличением давления, уменьшением размера частиц и увеличением скорости подвода вторичного воздуха в поток горящей аэровзвеси

4 Разработаны, обоснованы и подтверждены схема и проектные концепции регулируемого ПВРД ПМГ, его основных систем и элементов, регулируемой подачи и распыления ПМГ, первичного смесеобразования и воспламенения смеси, вторичного смесеобразования и сжигания смеси, защиты от теплового и эрозионного воздействия конструкции форкамеры и камеры сгорания и предотвращения отложения частиц к-фазы на их поверхность

Создан экспериментальный низкотемпературный газогенератор с порошкообразным емкостным охладителем для системы подачи ПМГ Разработана математическая модель, описывающая процессы теплообмена, конденсации и испарения при фильтрации продуктов сгорания газогенератора через порошковый материал. Проведено более 100 испытаний низкотемпературного газогенератора (температура газа не превышала 500 К, а время работы в отдельных испытаниях достигало 360 с)

Сравнением результатов расчета и эксперимента по определению внутрикамерных параметров установки сжигания ПМГ, уточнены кинетические характеристики математической модели горения потока аэровзвеси полифракционного алюминия По уточненной модели проведены расчеты влияния давления на коэффициент камеры в экспериментальной установке по сжиганию адюминиево-воздушной смеси Хорошее согласование экспериментальной и расчетной зависимостей указывает на адекватность описания внутрикамерных процессов при использовании предложенной в работе модели горения аэровзвеси порошка алюминия (с уточненными кинетическими коэффициентами)

5 На основе разработанного автором способа сжигании аэровзвеси металлов и результатов расчетов влияния параметров окисляющей среды на процесс образования оксида, создана экспериментальная технологическая установка, позволяющая получать дисперсный оксид алюминия с разными свойствами В результате испытаний установки определены

а) устойчивая и эффективная работа технологической установки в широком диапазоне рабочих параметров,

б) высокая производительность установки,

в) возможность в широких пределах изменять свойства образующегося оксида (в соответствии с выше указанными результатами расчетов),

г) возможность выделения широкого спектра частиц конденсированной фазы из высокотемпературного двухфазного потока продуктов сгорания

6 Предложено прямое использование воды и азота в качестве внеземного компонента топлива (окислитель, рабочее тело) реактивных двигателей космических аппаратов На основании полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана схема ракетного двигателя космического аппарата на ПМГ и внеземных окислителях. Предложены методы организации рабочего процесса в таком двигателе, обеспечивающие надежное воспламенение и горение ПМГ в смесях с СОг, Н2О, N2, а также позволяющие существенно уменьшить двухфазные потери

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Патент

1 Газогенератор / Е И Коломин, В И Малинин, С Ю Серебренников, А Е Коломин II Патент РФ № 2292234, С 2,27 01 2007

II. Монография

2. Малинин В И. Внутрикамерные процессы в установках на

порошкообразных металлических горючих - Екатеринбург - Пермь- УрО РАН, 2006. - 262 с

III. Научные статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

3 Кирьянов ИМ, Малинин В.И., Котельникова ЕИ Расчет влияния давления на воспламенение бора при различных константах окисления II Физика горения и взрыва. 1983. Т 19 № 5 С. 98 - 102

4 Кирьянов И M, Малинин В И, Котельникова Е И, Сухов А.В Модель горения частицы алюминия с учетом кинетического фактора // Химическая физика 1990 Т 9. № 12 С 1606 - 1610

5. Ягодников ДА, Сухов AB, Малинин В.И, Кирьянов ИМ Роль реакции азотирования в распространении пламени по переобогащенным металловоздушным смесям И Вестник МГТУ Сер Машиностроение 1990 №1 С 121-124

6 Малинин В И , Коломин Е.И, Антипин И С Особенности горения частицы алюминия в потоке активных газов // Физика горения и взрыва 1999 Т 35 №1 С 41-47.

7 Малинин В И, Коломин Е И, Антипин И С Модель горения высокоскоростного потока аэровзвеси частиц алюминия, учитывающая кинетику процессов и особенности накопления окисла // Химическая физика 1998 Т 17, № 10 С 80-92.

8 Математическое моделирование воспламенения и горения частиц алюминия за ударными волнами, учитывающее кинетику процессов и особенности накопления окисла / В И Малинин, Е И Коломин, И С. Антипин, В Л Рылов//Химическая физика 2001 Т 20, №6 С. 75-83

9 Малинин В.И, Коломин Е.И , Антипин И С. Воспламенение и горение аэровзвеси алюминия в реакторе высокотемпературного синтеза порошкообразного оксида алюминия // Физика горения и взрыва 2002. Т 38, №5 С 41-51

Ю.Крюков АЮ, Ярушин СГ, Малинин В И. Изучение возможности синтеза дисперсных оксидов и нитридов методом сжигания газовзвесей порошковых материалов // Вестник МГТУ Сер. «Машиностроение». Специальный выпуск «Теория и практика современного ракетного двигателестроения», 2004 - С 155 - 164.

IV. Материалы Международных конференций

11 Kolomin E.I, Malinin VI, Obrosov A A Air/aluminium combustion m a chamber of an expenmental reactor for high-temperature alumina synthesis In Proceedings of the Russian and Japanese Seminar of Combustion 1993, Chemogolovka, Moscow Region, pp 141-143

12 Kolomin EI, Malinin VI, Obrosov A.A. High-Temperature Synthesis of Alumina Powder in a Reactor for Technological Combustion of Air/Aluminum Mixture Theory of Combustion of Powder and Explosives Editor Lipanov A M Nova science Publishers, Inc, New York, 1996, pp 301 - 310

13. Коломин ЕИ, Малинин В И, Обросов А. А Влияние условий смешения и горения аэровзвеси алюминия на дисперсный состав продуктов сгорания И Международная школа - семинар Внутрикамерные процессы

горение и газовая динамика дисперсных систем Россия, С - Петербург, 20-24июня 1995 Сборник материалов С -Петербург БГТУ.1995. С 136-141

14 Особенности процесса горения частиц алюминия при различных параметрах потока активных газов / Малинин В И, Коломин Е И, Обросов А А, Антипин И С // Международная школа - семинар Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем Россия, С -Петербург, 20-24июня 1995 Сборник материалов С - Петербург БГТУ, 1995 С 142-145

15 Малинин ВН., Коломин Е.И, Антипин И С Влияние параметров окисляющей среды на процесс накопления окисла на поверхности горящих частиц алюминия // Международная конференция по внутрикамерным процессам и горению. Проблемы конверсии и экологии энергетических материалов (1СОС-96) Россия, С -Петербург, 3-7июня 1996 Сборник материалов в двух частях Ижевск ИПМУрО РАН, 1997 4 1 С 33-39

16 Малинин В И, Коломин Е И, Антипин И С Стабилизация пламени в потоке аэровзвеси порошков алюминия // Доклады 3-й Международной конференции по внутрикамерным процессам и горению в установках на твердом топливе и ствольных системах (1СОС-99) // Ижевск- ИПМ УрО РАН 2000 С 691-700

17. Малинин В.И, Коломин ЕИ., Рылов В Л Горение порошков алюминия в воздушном потоке // Доклады 3-й Международной конференции по внутрикамерным процессам и горению в установках на твердом топливе и ствольных системах (1СОС-99)//Ижевск-ИПМ УрО РАН 2000 С 685-691

18 Малинин В И, Бербек А М , Крюков А Ю Ракетный двигатель межпланетных аппаратов на порошкообразном металлическом горючем и окислителе, добываемом на поверхности исследуемых космических объектов // В кн Ракетные двигатели и проблемы освоения космического пространства (Космический вызов XXI века) Том 1 / [Под ред ИГ Ассовского, ОД Хайдена] - М • ТОРУС ПРЕСС, 2005 С 500-502

19 Крюков А Ю , Малинин В И , Ярушин С Г Оценка возможности промышленного производства высокодисперсных порошков методом сжигания газовзвесей порошковых материалов // В кн Ракетные двигатели и проблемы освоения космического пространства (Космический вызов XXI века) Том 1 / [Под ред И Г Ассовского, О Д Хайдена] - М ТОРУС ПРЕСС, 2005 С 433 -443

20 Получение ультрадисперсных порошков методом сжигания аэровзвесей частиц металлов / В Н Анциферов, В И Малинин, С Е Порозова, АЮ Крюков // В кн, Перспективные материалы и технологии: Нанокомпозиты (Космический вызов XXI века) Том 2 /[Под ред. А.А Берлина, ИГ Ассовского] -М ТОРУС ПРЕСС, 2005 С 47-58

V. Статьи в региональных журналах, материалы конференций

21 Петренко В.И, Малинин В И Регулируемые ПВРД на порошкообразных металлических горючих - новое перспективное направление в реактивном двигателестроении // Материалы IX Всероссийской конференции

Исследование, проектирование и отработка регулируемых энергоустановок. -Уфа, 2001. С 11-24.

22 Петренко В И, Малинин В.И ПВРД на порошкообразных металлических горючих - перспективное направление улучшения баллистических характеристик управляемых ракет // Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики- Доклады конференции - Томск. ТГУ, НИИПММ, 2002. С. 94 - 98

23 Реактор горения порошков металлов в активном газе ! В И Малинин, Е И Коломин, И С Антипин, А А. Обросов // Научно-технические разработки в области СВС Справочник / Под общей ред академика А Г. Мержанова -Черноголовка. ИСМАН, 1999 С.184 - 185

24 Получение СВС-оксидов и нитридов в газе / В И Малинин, Е И Коломин, И С Антипин, А А Обросов // Научно-технические разработки в области СВС- Справочник / Под общей редакцией академика А Г Мержанова -Черноголовка ИСМАН, 1999 С 149-151

25 Малинин В И, Коломин Е И, Серебренников С Ю., Антипин И С Охлаждение продуктов сгорания газогенераторных топлив в порошкообразных емкостных охладителях / Вестник ПГТУ Аэрокосмическая техника, 2002 г , № 13 С 72-76

26 Малинин В И, Бульбович Р В Перспективы применения металлических горючих в двигательных установках космических летательных аппаратов // XXV Российская школа по проблемам науки и технологий, посвященная 60-летию Победы Краткие сообщения (Дополнения) -Екатеринбург УрО РАН, 2005 С 382-384.

27 Малинин В И. Организация внутрикамерных процессов и оптимизация параметров в двигательных и технологических установках на порошкообразных металлических горючих // XXV Российская школа по проблемам науки и технологий, посвященная 60-летию Победы Краткие сообщения (Дополнения) - Екатеринбург. УрО РАН, 2005 С 385 - 387

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1 Горение порошкообразных металлов в активных средах / П Ф Похил, А Ф. Беляев, Ю В Фролов и др - M Наука, 1972 - 294 с

2 Мальцев В M, Мальцев M И, Кашпоров JIЯ Основные характеристики горения -M - Химия, 1977 - 320 с

3 Попов Е И, Великанова В П Самовоспламенение алюминиево-магниевых порошков в углекислом газе В кн Физика аэродисперсных систем -Киев-Одесса Вищашк 1985, вып 28. С 25-27.

4 Попов Е И , Великанова В П Воспламенение алюминиево-магниевых порошков в азоте В кн Физика аэродисперсных систем. - Киев - Одесса Вищашк 1982, вып 24 С 48-50.

5 Ягодников ДА Организация процессов воспламенения и горения порошкообразных металлов в камерах сгорания реактивных двигательных установок Диссертация д-ра техн наук - M • МГТУ, 1997. - 236 с

6 Особенность формирования агломератов при горении смесевых композиций /ЕИ Гусаченко, В П Фурсов, В И Шевцов и др В кн Физика аэродисперсных систем -Киев-Одесса Вищашк , 1982, вып 21 С 62-66

7 Алексеев А Г, Судакова И В Скорость распространения пламени в аэровзвесях металлических порошков // Физика горения и взрыва, 1983 Т 19, №5 С 34-36

8 Распространение фронта химической реакции в двухфазном потоке /В М. Кудрявцев, А.В Сухов, А В. Воронецкий и др В кн Высокотемпературные газовые потоки, их получение и диагностика - Харьков ХАИ, 1986, вып 4 С 66-69

9 Ягодников Д А., Воронецкий А В , Лапицкий В И Распространение пламени по аэровзвеси алюминия при пониженных давлениях // Физика горения и взрыва 1995 Т 31, №5 С 23-31

10 К теории горения металлических частиц / В М Гремячкин, А Г Истратов, О И Лейпунский В кн Физические процессы при горении и взрыве - М • Атомиздат, 1980 С 4-68

11. Бабук В А , Васильев В А , Романов О Я Физико-химические превращения капель А1-А1203 в потоке активного газа // Физика горения и взрыва, 1993 Т 29, №3 С 129-133

12 Распространение пламени в переобогащенных газовзвесях / НД Агеев, С В Горошин, Л А Клячко В кн Физика аэродисперсных систем -Киев-Одесса Вища шк , 1985, вып 27 С 84-88

13 Ягодников ДА., Воронецкий А В Влияние скоростной неравновесности на особенности распространения ламинарного пламени в аэродисперсной среде//Физика горения и взрыва 1992 Т 28, №5 С 38-44

14 Физические основы рабочего процесса в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей / Б В Раушенбах, С А Белый, И В Беспалов и др - М Машиностроение, 1964 -526 с

15 Беляев АФ, Фролов ЮВ, Коротков А И О горении и воспламенении частиц мелкодисперсного алюминия // Физика горения и взрыва 1968 Т 4, № 3 С 323 -329

Подписано в печать 15 05 2007 Бумага ВХИ Формат 60X90/16 Набор компьютерный Тираж 100 экз Уел печ л 3 Заказ № 48к/2007

Отпечатано в типографии ИД "Пресстайм" Адрес 614025, г Пермь, ул Героев Хасана, 105

Сокращения, условные обозначения, индексы.

Введение.

Глава 1. Анализ исследований горения металлов в активных газах и внутрикамерных процессов в установках на ПМГ.

1.1. Особенности металлических горючих.

1.2. Модели горения одиночных частиц и взвесей порошков металлов

1.2.1. Одиночные частицы.

1.2.2. Взвеси порошков металлов.

1.3. Экспериментальные исследования воспламенения и горения одиночных частиц и взвесей порошков металлов.

1.3.1. Воспламенение и горение частиц металлов.

1.3.2. Воспламенение и горение порошков металлов.

1.4. Особенности внутрикамерных процессов при сжигании ПМГ.

1.5. Способы организации сжигания горючих в воздушном потоке.

1.6. Внутрикамерные процессы в ПВРД.

1.7. Внутрикамерные процессы в технологических установках синтеза ультрадисперсных оксидов металлов.

1.8. Внутрикамерные процессы в реактивных двигателях на металлических горючих и внеземных окислителях.

Выводы. Постановка задач диссертационной работы.

Глава 2. Математическое моделирование горения порошкообразного алюминия в потоке активных газов.

2.1. Модель горения одиночной частицы алюминия.

2.1.1. Основные положения.

2.1.2. Система уравнений.

2.1.3. Скорости химических реакций и фазовых переходов.

2.2. Расчёт горения частицы алюминия в потоке активных газов. Сравнение с экспериментом.

2.3. Модель горения высокоскоростного потока полифракционной аэровзвеси частиц алюминия.

2.3.1. Основные положения.

2.3.2. Система уравнений.

2.3.3. Скорости химических реакций и фазовых переходов.

2.4. Математическое моделирование горения потока переобогащённой алюминиево-воздушной смеси.

2.4.1. Методика расчёта. Исходные параметры.

2.4.2. Результаты расчётов.

Выводы.

Глава 3. Организация и математическое моделирование внутрикамерных процессов в установках на ПМГ.

3.1. Схема организации внутрикамерных процессов.

3.2. Подача порошкообразных металлов в камеру сгорания и их распыление в воздушном потоке.

3.2.1. Регулируемая подача порошка.

3.2.2. Распыление порошка.

3.3. Сжигание металловоздушных смесей.

3.3.1. Особенности горения металловоздушных смесей при низком коэффициенте избытка воздуха.

3.3.2. Организация сжигания металловоздушных смесей.

3.4. Выделение конденсированной фазы из высокотемпературного потока продуктов сгорания.

3.5. Математическое моделирование сжигания алюминиево-воздушной смеси.

Выводы.

Глава 4. Экспериментальная установка сжигания аэровзвесей порошков металлов. Результаты испытаний.

4.1. Экспериментальная установка.

4.2. Стенд огневых испытаний.

4.2.1. Назначение и технические характеристики.

4.2.2. Описание стенда.

4.3. Методика проведения испытаний.

4.4. Результаты испытаний экспериментальной установки.

4.4.1. Зажигание.

4.4.2. Стабилизация пламени. Устойчивость процесса.

4.4.3. Эффективность горения.

4.4.4. Дисперсность и свойства выделенной к-фазы.

4.4.5. Теплозащита конструкции.

4.4.6. Работоспособность установки.

Выводы.

Глава 5. Уточнение параметров и проверка адекватности математической модели сжигания алюминиево-воздушной смеси.

5.1. Уточнение параметров модели.

5.2. Проверка адекватности модели. Моделирование влияния давления на внутрикамерные процессы.

Выводы.

Глава 6. Регулируемый ПВРД ПМГ. Внутрикамерные процессы и оптимизация параметров.

6.1. Регулируемые ПВРД ПМГ - новое перспективное направление в реактивном двигателестроении.

6.2. Устройство и конструкция.

6.3. Экспериментально-теоретическое обоснование работоспособности и эффективности основных систем.

6.3.1. Газогенераторная система.

6.3.2. Система регулируемой подачи ПМГ.

6.3.3 Система первичного смешения, воспламенения, стабилизация пламени и первичного горения ПМГ.

6.3.4. Система вторичного смешения и сжигания ПМГ.

6.4. Влияние конструктивных параметров на режимы камеры сгорания и внутрикамерные процессы ПВРД.

6.5. Влияние параметров полёта на внутрикамерные процессы ПВРД на алюминиевом горючем.

6.5.1. Математическое моделирование влияния длины вторичного смешения на внутрикамерные процессы при большой высоте полёта УР.

6.5.2. Математическое моделирование влияния начальной температуры на внутрикамерные процессы.

Выводы.

Глава 7. Получение ультрадисперсных оксидов методом сжигания аэровзвесей порошков металлов.

7.1. Методы получения ультрадисперсных порошков.

7.1.1. Механические методы.

7.1.2. Термолиз.

7.1.3. Золь-гель метод.

7.1.4. Химическое осаждение из водных растворов солей.

7.1.5. Плазмохимический метод.

7.1.6. Метод электровзрыва проводников в атмосфере кислорода.

7.1.7. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез.

7.1.8. Лазерное физическое газофазное осаждение.

7.1.9. Получение ультрадисперсных оксидов сжиганием аэровзвесей металлических порошков.

7.2. Теоретические исследования влияния основных параметров на дисперсность оксида.

7.2.1. Исследования на основе модели горения одиночной частицы алюминия.

7.2.2. Исследования на основе модели горения полифракционной аэровзвеси частиц алюминия.

7.3. Экспериментальная технологическая установка.

7.4. Выделение ультрадисперсного оксида из конденсированных продуктов сгорания.

7.5. Методика исследования выделенного оксида.

7.5.1. Определение дисперсного состава.

7.5.2. Определение удельной поверхности.

7.5.3. Определение фазового состава.

7.5.4. Определение химического состава.

7.6. Влияние условий смесеобразования и параметров горения на дисперсный состав оксида.

7.7. Свойства ультрадисперсного оксида алюминия - целевого продукта метода.

7.7.1. Выделение и обработка целевого продукта.

7.7.2. Исследование целевого продукта.

Выводы.

Глава 8. Двигательные установки космических аппаратов на ПМГ и внеземных окислителях.

8.1. Реактивные двигатели, использующие внеземные компоненты, -перспективные двигатели космических летательных аппаратов.

8.2. Массовые характеристики и дальности перелётов КЛА с ракетным двигателем на ПМГ и внеземных окислителях.

8.3. Экспериментально-теоретическое обоснование возможности создания реактивных двигателей на ПМГ и внеземных компонентах.

8.3. 1. Термодинамические расчёты.

8.3.2. Выбор горючего и окислителя.

8.3.3. Воспламенение и горение.

8.3.4. Организация рабочего процесса.

8.4. Описание конструкции, схема и параметры ракетного двигателя.

Выводы.

Фридрих Артурович Цандер, один из основоположников теории и практики ракетного двигателестроения, мечтал сжигать металлы в камере сгорания ракетного двигателя. В двигателе на жидком кислороде в качестве окислителя он именно металл считал основным горючим, а углеводород -вспомогательным. Осуществить эту идею при существующей в то время технологии было нереально. Поэтому его сподвижникам пришлось отказаться от идеи сжигать металлы [1].

В современных энергетических и технологических установках широко используется горение металлогазовых систем, как для создания тяги (РДТТ, ГРД, РПД [2 - 6]), так и для получения целевого продукта, применяемого в промышленности (СВС [7, 8]). В последние два десятилетия научными коллективами ОКБ «ТЕМП» при Пермском ГТУ, НИИЭМ при МГТУ им. Н.Э. Баумана, ГНИИХТЭОС и Тольяттинского ГУ показана возможность создания новых высокоэффективных технических устройств, использующих горение распылённых в активном газе порошков металлов (алюминия, магния, бора*). Это - прямоточные гидро- и воздушные двигатели на порошкообразных металлических горючих (ПМГ) [9 - 11], ракетные двигательные установки на порошкообразном топливе [11, 12], технологические реакторы синтеза ультрадисперсных оксидов [13-18].

Применение принципиально нового типа горючего -порошкообразного металлического - в ПВРД по существу открывает новое направление в реактивном двигателестроении [10 - И]. Обладая большой теплотой сгорания и высокой плотностью (табл. 1), ПМГ способны существенно увеличить такие важные характеристики двигательных установок, как удельные импульсы тяги - массовые и объёмные (рис. 1). Здесь и далее так же, как и в [3], к металлам условно отнесён бор, который является металлоидом

Порошкообразные металлические горючие позволят, с одной стороны, сохранить эксплуатационные достоинства ТРТ, с другой стороны исключить их основной недостаток — отсутствие возможности регулирования в широком диапазоне тяги двигателя. Текучесть ПМГ обеспечивает регулирование тяги в десятки раз по произвольному закону.

Таблица. ХАРАКТЕРИСТИКИ ГОРЮЧИХ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫХ

ДВИГАТЕЛЕЙ

Горючее

Характеристика мё А1 В А1В2 Керосин ТРТ для РПД

Стехиометрич. 2,8 3,8 9,6 6,7 14,7 4-8 отношение

Теплотворная 21 способность, 25 31 59 44 43 27

МДж/кг

Плотность материала, кг/л 1,7 2,7 2,35 3,2 0,83 1,75

Плотность заряжания бака, 1,2 1,9 1,5 2,2 0,75 1,51,7 кг/л

Прямоточные двигатели на ПМГ имеют ряд исключительных преимуществ по сравнению с ПВРД на известных типах горючего (керосин): высокий объёмный импульс тяги {Зу= 20 . 35 МН-с/м3, рис. 1), возможность работы на предельных высотах полёта летательного аппарата (Я = 30 . 40 км), высокий коэффициент тяги (Сд= 1,5 . 2) и хорошие эксплуатационные характеристики.

Зуд, кН-с/кг 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0

Керосин А'ЕЗг

А1

ТРТ

ТРТ

РДТТ

РПД

ПВРД

Зуд- рг, кНс/м

35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0

А1В,

А1

Керосин

ТРТ

ТРТ.

РДТТ ПВРД РПД

ПВРД

Рис. 1. Диаграмма удельных и объемных импульсов тяги для разных типов двигателей и разных топлив

Соответственно, управляемые ракеты, оснащенные прямоточными ВРД на ПМГ приобретают ряд качеств, чрезвычайно важных для их боевого применения (малые габариты и масса, возможность достижения большой высоты и дальности полёта, высокая скорость и манёвренность на всей траектории полёта, удобство хранения и обслуживания).

Развитие современных технологий основывается на производстве высококачественных порошковых материалов, обладающих заданными свойствами: высокой химической чистотой продукта, требуемым фазовым и дисперсным составом, сферической формой частиц, высокой твердостью и тугоплавкостью, окислительной и коррозионной стойкостью и в некоторых случаях особыми электрическими и оптическими характеристиками.

Одно из главных современных направлений в области разработки новых порошковых материалов - синтез ультрадисперсных порошков (УДП) с размером частиц ~ 100 нм. УДП находят всё большее применение в медицине, машиностроении, создании оптических приборов, атомной энергетике, ракетно-космической технике, химической промышленности и других областях (рис. 2), где может быть полезно использование свойств, которыми обладают субмикронные и ультрадисперсные порошки [19 - 28].

Рис. 2. Применение ультрадисперсных порошков

Традиционно основным методом производства порошков было диспергирование природных материалов (в шаровых, струйных и высокоскоростных вращающихся мельницах) и последующая очистка полученных порошков от примесей [19, 22, 28, 29]. В настоящее время новые технологии изготовления порошков, позволяющие улучшить качество порошковых материалов, повысить химическую чистоту и дисперсность, вытесняют механическую обработку [7, 8, 19, 22, 30 — 32]. В то же время, существующими методами редко удается преодолеть все трудности и получить порошок с заданными свойствами. Качественный анализ широко известных методов показывает, что большинству из них присущи следующие недостатки: низкая производительность, большая трудоёмкость и энергоёмкость технологического процесса.

В научно-исследовательских работах [13 — 18, 33 — 35] был предложен новый метод получения ультрадисперсных порошков оксидов металлов. Сжигая распыленные в активном газе порошкообразные металлы, в технологической установке можно синтезировать новые порошковые материалы с заданными свойствами. Такие технологии перспективны, экономически выгодны и позволяют получить продукты высокого качества при высокой производительности (более 100 кг/час целевого продукта). Получение ультрадисперсного оксида алюминия с заданной кристаллической модификацией, формой и размером частиц, с низким содержанием примесей методом сжигания порошка алюминия в воздушном потоке составляет важное направление в рамках указанной проблемы.

Природные ресурсы объектов Солнечной системы могут быть использованы в качестве компонентов топлива для ракетных двигателей космических летательных аппаратов (КЛА). В работах Шафировича Е.Я. и Гольдшлегера У.И. [36 - 39] при исследовании Марса предлагается использовать ракетный двигатель на металлическом горючем, транспортируемом с Земли, и окислителе - углекислом газе, добываемом из марсианской атмосферы. Многочисленные исследования, проведённые в последнее время, показали, что на поверхности Марса присутствует существенное количество воды (в виде льда). Лёд также имеется на спутниках Юпитера (Европа, Ганимед, Каллисто) [40], в ядрах комет и на некоторых других космических телах. Воду внеземных объектов можно использовать в качестве окислителя для ракетного двигателя КЛА [41, 42].

В соответствии с данными, полученными европейским зондом «Гюйгенс», спутник Сатурна Титан обладает плотной атмосферой, состоящей в основном из азота. Азот внеземных объектов также можно использовать в качестве окислителя для реактивных двигателей КЛА [43]. Такая возможность обусловлена специфической для металлов экзотермической реакцией азотирования [44].

Удельная тяга ракетного двигателя на металлическом горючем и внеземных окислителях в основном ниже, чем у земных штатных топлив. Однако в условиях космических объектов более важным показателем является минимально необходимая масса посадочной ступени КЛА, доставляемой с Земли на поверхность космического тела. Применение окислителей, добываемых на поверхности внеземных объектов, позволяет уменьшить эту массу, при существенном увеличении исследовательской программы [36 - 39, 41 - 43, 45]. Анализ возможных схем ДУ на внеземных окислителях показал, что двигатель на порошкообразном металлическом горючем в данном случае наиболее приемлемый вариант [42].

При проектировании двигательных и технологических установок на порошкообразных металлических горючих перед разработчиками встаёт ряд задач, связанных с организацией рабочего процесса. Это в первую очередь, -обеспечение устойчивой регулируемой подачи металлического порошка в камеру сгорания, его равномерного распределения по поперечному сечению камеры и смешения с окислителем, надёжного зажигания полученной горючей смеси, стабилизации пламени, устойчивого и эффективного горения (высокой полноты сгорания). Из цепи взаимосвязанных процессов определяющими и наиболее сложными для осуществления являются процессы сжигания аэровзвеси металлического порошка (в настоящее время не существует способа сжигания металлогазовой смеси, удовлетворяющего всем условиям работы двигательных и технологических установок на ПМГ).

За предыдущие полвека бурного развития реактивных двигателей на жидких горючих за рубежом и в России был накоплен большой научный и практический опыт организации рабочего процесса в камерах сгорания углеводородных горючих [46 - 50]. Реактивные двигатели на жидких углеводородных горючих (ЖУГ) достигли высокой степени совершенства и стали широко использоваться в качестве силовых установок летательных аппаратов (ЛА). К сожалению, этот опыт нельзя применить к установкам на ПМГ из-за особенностей данных горючих. Однако, как будет показано далее, учет и использование некоторых особенностей металлических горючих позволяет организовать рабочий процесс в реактивных двигателях и технологических установках на ПМГ не менее эффективно, чем в двигателях на ЖУГ.

ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ является разработка и обоснование нового способа организации сжигания металлических горючих в потоке активных газов, создание проектных концепций перспективных реактивных и технологических установок на порошкообразном алюминии и оптимизация их параметров.

ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Для достижения указанной цели необходимо:

1. Создать математическую модель воспламенения и горения частицы алюминия в потоке активных газов, учитывающую кинетические факторы. На основе этой модели разработать модель горения высокоскоростного потока полифракционной, переобогащённой алюминиево-воздушной смеси. Провести численное моделирование горения аэровзвеси порошка алюминия.

2. Разработать новый способ организации воспламенения и горения порошков металлов в воздушном потоке. В соответствии с разработанным способом создать математическую модель, описывающую процессы горения в реактивных и технологических установках на ПМГ.

3. Спроектировать экспериментальную установку для исследования процессов воспламенения и горения порошков металлов в воздушном потоке. Определить параметры установки, обеспечивающие устойчивое, самоподдерживающееся и эффективное горение металловоздушной смеси. Уточнить кинетические характеристики горения алюминиево-воздушной смеси. Сравнить результаты расчётов и проведённых в работе экспериментов, а также экспериментальные и расчётные данные с данными других авторов.

4. Разработать схему ПВРД ПМГ, его основные системы и элементы конструкции. Подтвердить их работоспособность. Провести экспериментально-теоретические исследования влияния различных параметров на эффективность ПВРД ПМГ. Определить оптимальные значения параметров.

5. Создать экспериментальную технологическую установку для исследования процесса получения дисперсного оксида при сжигании порошка алюминия в воздушном потоке и определить параметры, влияющие на дисперсность образующегося оксида. Получить образцы ультрадисперсного оксида алюминия с заданными свойствами.

6. На основании полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований разработать схему двигателя КЛА на металлических горючих и внеземных окислителях. Разработать рекомендации к проектированию систем и элементов смесеобразования, воспламенения и горения двигателей космических аппаратов на ПМГ.

МЕТОДЫ И ПОДХОДЫ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ В ХОДЕ ВЫПОЛНЕНИЯ

ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Использованы методы и подходы механики сплошных сред, теории горения металлов и газодисперсных систем, математического моделирования процессов испарения частиц металлов и химической конденсации продуктов испарения, газовой динамики дисперсных систем, проектирования, конструирования и проведение испытаний реактивных двигательных установок и нестандартного оборудования, физико-химические методы исследования порошковых материалов (рентгеновский, электроннооптический, оптический).

НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

1. Создана математическая модель горения частицы алюминия, впервые учитывающая кинетические ограничения процессов испарения и поверхностных химических реакций. Модель вносит существенный вклад в теорию горения мелкодисперсного алюминия при низких давлениях.

2. С помощью модели доказана сильная неравновесность процесса горения частиц алюминия. В рамках созданной модели впервые получили ясную интерпретацию некоторые известные экспериментальные факты, связанные с образованием оксида: асимметричность горения, распад частиц на отдельные капли, появление полых сфер в продуктах сгорания.

3. В отличие от существующих моделей предложенная модель адекватно описывает процессы образования оксида. Расчет доли оксида, накопившегося на частице, хорошо согласуется с опытными данными.

4. Расчетами по модели впервые показано: изменяя параметры среды и размер частицы можно осуществлять переход от гетерогенного горения к газофазному, тем самым в широких пределах изменять дисперсность оксида.

5. Создана математическая модель горения высокоскоростного потока (М< 1, М > 1) полифракционной аэровзвеси частиц алюминия, впервые учитывающая кинетику и неравновесную термодинамику процессов горения, как на поверхности частиц, так и в объёме потока. Модель адекватно описывает воспламенение и горение переобогащённых алюминиево-воздушных смесей (коэффициент избытка воздуха а < 1).

6. Сформулированы новые принципы организации процесса сжигания порошкообразных металлов в камере сгорания без применения специальных механических устройств (решётки, плохообтекаемые тела, уступы и т.п.), вызывающих аэродинамическую рециркуляцию двухфазного потока.

7. Экспериментально впервые подтверждено самоподдерживающееся, устойчивое горение аэровзвеси порошкообразных горючих (алюминия и бора), в широком интервале параметров, в камере сгорания без вызывающих рециркуляцию потока устройств.

8. Экспериментально и теоретически (численным моделированием) впервые показано, что, изменяя условия смешения в камере сгорания, можно влиять на механизм горения частиц алюминия и тем самым изменять дисперсность оксида в широких пределах.

9. Впервые подтверждена возможность высокоэффективной организации внутрикамерных процессов в технологических и реактивных двигательных установках на порошкообразном алюминиевом горючем.

10. Экспериментально впервые показана возможность промышленного получения ультрадисперсного оксида с заданными свойствами методом сжигания аэровзвеси порошка алюминия.

11. Впервые предложено и обосновано применение в качестве окислителя и рабочего тела реактивных двигателей космических летательных аппаратов воды, которая содержится в виде льда на многих космических телах, и азота, из которого состоит атмосфера спутника Сатурна Титана.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ

Теоретические и экспериментальные результаты работы могут быть использованы при проектировании и отработке систем и элементов смесеобразования и горения новых высокоэффективных технологических и реактивных двигательных установок на порошкообразном металлическом горючем.

Разработанный способ организации сжигания порошкообразных металлов без применения механических устройств, вызывающих аэродинамическую рециркуляцию двухфазного потока, позволяет существенно повысить время работы и увеличить область значений рабочих параметров реактивных двигателей на ПМГ. Это приводит к резкому повышению тактико-технических характеристик боевых управляемых ракет с такими двигателями.

Новый высокопроизводительный и экономичный метод получения ультрадисперсных оксидов алюминия с заданными свойствами позволит перейти к массовому производству промышленных материалов для современных технологий.

Разработанный в работе метод получения оксида алюминия с заданными свойствами дает возможность в широких пределах изменять дисперсность оксидов, образующихся при сгорании не только алюминиево-воздушной смеси, но и других металлогазовых смесей.

Применение реактивных двигателей на ПМГ и внеземных окислителях в космических летательных аппаратах позволяет расширить возможности исследования дальнего космоса и объектов Солнечной системы.

Математическое моделирование внутрикамерных процессов на основе разработанных моделей позволяет уменьшить число необходимых испытаний при отработке новых реактивных и технологических установок на ПМГ и тем самым уменьшить экономические затраты.

Полученные в диссертации результаты использовались в проектных работах предприятий ГУП ОКБ «Темп», ФГУП НИМИ, ОАО «Корпорация Тактическое ракетное вооружение», в исследовательских работах ФГУП НИИПМ, ГНУ «Научный центр порошкового материаловедения», ИРЭ РАН, ИХФ РАН, ИПХФ РАН и в учебном процессе кафедр РКТ и ТКА ПермГТУ.

ДОСТОВЕРНОСТЬ И ОБОСНОВАННОСТЬ

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается:

1. Использованием основополагающих уравнений механики сплошных сред и теории горения газодисперсных систем, а также известных, проверенных на практике экспериментальных характеристик взаимодействия частиц ПМГ с активными газами.

2. Хорошим согласованием результатов расчёта и проведённых в работе экспериментов, а также их совпадением с данными других авторов.

3. Применением современных аттестованных приборов, проверенных и надежных средств измерения и регистрации, опробованных методик.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

1. Математическая модель горения частицы алюминия, учитывающая кинетику испарения и поверхностных химических реакций и созданная на её основе модель горения высокоскоростного потока полифракционной, сильно переобогащённой алюминиево-воздушной смеси.

2. Результаты теоретических исследований влияния параметров на характеристики горения частицы алюминия и образующегося оксида. Результаты численного моделирования процессов горения переобогащённой аэровзвеси порошка алюминия (коэффициент избытка воздуха а < 1).

3. Способ организации воспламенения и горения порошков металлов в воздушном потоке и созданную в соответствии со способом математическую модель, описывающую процессы горения в реактивных и технологических установках на ПМГ.

4. Результаты, полученные при испытании экспериментальной установки для исследования процессов воспламенения и горения порошков металлов в воздушном потоке.

5. Обоснование работоспособности схемы ПВРД ПМГ, его основных систем и элементов конструкции, определение оптимальных параметров ПВРД ПМГ.

6. Математическое моделирование процессов в экспериментальном, низкотемпературном газогенераторе (НТГГ) для натурной системы подачи ПМГ и результаты его испытаний.

7. Результаты испытаний экспериментальной технологической установки для исследования процесса получения дисперсного оксида при сжигании порошка алюминия в воздушном потоке.

8. Метод получения ультрадисперсного оксида с заданными свойствами посредством сжигания порошка алюминия в воздушном потоке.

9. Схема ракетных двигателей КЛА на ПМГ и внеземных окислителях. Рекомендации к проектированию систем и элементов смесеобразования, воспламенения и горения двигателей КЛА на ПМГ.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ Разработанные принципы организации внутрикамерных процессов, созданные математические модели, спроектированные экспериментальные установки, методики исследований и полученные в результате исследований расчётные и экспериментальные данные использованы:

- при проектировании прямоточного воздушно-реактивного двигателя на порошкообразном алюминии;

- при проектировании газогенераторной системы для ПВРД;

- в исследовании возможности создания генератора энергонесущего газа на ПМГ для газодинамического лазера;

- при проектировании технологической установки для синтеза ультрадисперсного оксида алюминия методом сжигания аэровзвесей порошков металлов;

- при получении опытной партии ультрадисперсного сферического оксида алюминия на спроектированной технологической установке;

- в учебном процессе кафедр РКТ и ТКА Пермского государственного технического университета.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ: Результаты диссертационной работы докладывались на: 1-У Всесоюзной школе - семинаре по горению дисперсных систем. Одесса, ОГУ, 1981, 1983, 1985, 1987, 1989 г.г.

II Всесоюзной конференции по проблеме двигательных и энергетических установок летательных аппаратов. Москва, МАИ, 1981 г.

- VII, IX и XIII Симпозиуме по горению и взрыву. Черноголовка, 1983 г., Суздаль, 1989 г. и Черноголовка, 2005 г.

IX Научных чтениях, посвящённых разработке творческого наследия и развитию идей Ф.А. Цандера. Уфа, УАИ, 1985 г.

- I - IV Международной конференции по внутрикамерным процессам и горению в установках на твердом топливе и ствольных системах. Москва

ICOC 93), 1993 г., Санкт-Петербург (ICOC 96), 1996 г., Ижевск (ICOC 99), 1999 г., Москва (ICOC 2002), 2002 г.

- совместном Семинаре Российской и Японской секций Международного института горения. Черноголовка, 1993 г.

- Международной конференции по горению (Мемориал Я.Б. Зельдовича). Москва, 1994 г.

- I, IV Международной школе-семинаре: Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем. Санкт-Петербург, 1995, 2004 г.г.

- Международном коллоквиуме по перспективным аналитическим и расчетным методам в теории горения. Москва, 1997 г.

- IV - IX Всероссийской научно-технической конференции: Аэрокосмическая техника и высокие технологии. Пермь, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006 г.г.

- IX Всероссийской конференции: Исследование, проектирование и отработка регулируемых энергоустановок. Уфа, 2001 г.

- Всероссийской конференции: Процессы горения и взрыва в физикохимии и технологии неорганических материалов. Москва, 2002 г.

- Международной конференции SPACE'2003: Ракетные двигатели и проблемы их применения для освоения космического пространства. Москва-Калуга, 2003 г.

- European combustion meeting (ЕСМ 2003). Orleans, France, 2003.

- Topical meeting of the European ceramic society (NNN2004). S.-Petersburg, Russia, 2004.

- Международной научно-практической конференции по перспективным композиционным материалам: Нанокомпозиты - 2004. Сочи, 2004 г.

- Международной конференции SPACE'2006: Космический вызов XXI века. Новые материалы и технологии для ракетно-космической техники. Севастополь, 2006 г.

ОБЪЁМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы; изложена на 311 страницах, содержит 68 рисунков и 14 таблиц; список литературных источников включает 245 наименований.

ВЫВОДЫ

1. Предложено прямое использование в качестве внеземного компонента топлива (окислитель) реактивных двигателей посадочных ступеней космических аппаратов воды и азота.

2. Проведённый анализ показал, что большую перспективу использования в двигателях космических аппаратов имеет вода. Во-первых, она наиболее распространена на поверхности тел Солнечной системы. Во-вторых, по отношению к металлам водяной пар является достаточно активным окислителем. В-третьих, водяной пар и особенно продукт его реакции с металлами (водород) являются также высокоэффективным рабочим телом реактивного двигателя, что приводит к высокому термодинамическому значению удельного импульса тяги 35р двигателя на топливе Ме - Н20 (удельный импульс топлива А1 - Н20 в пустоте достигает значения 3 кН-с/кг).

3. При полёте в азотной атмосфере спутника Сатурна Титана наибольшим преимуществом обладают летательные аппараты с прямоточным реактивным двигателем на боровом горючем. В этом случае при скорости аппарата равной 600 м/с удельная тяга двигателя может достигать значений 14 . 16 кН-с/кг.

4. Проведены расчёты массовых характеристик посадочной ступени космического аппарата для исследования Марса и спутников Юпитера, на котором двигатель на топливе А1 - Н20 или А1 - С02 используется на первой ступени и двигатель на транспортируемом с Земли топливе - на второй ступени. Показано, что исследовательский аппарат может выполнить на космических объектах программу исследований, включающую получение образцов из трёх областей на их поверхности и последующую доставку капсулы с образцами на Землю. Доказано, что это возможно только при использовании аппарата с двигательной установкой, запасающей часть рабочего тела на исследуемых объектах.

5. Особенностью предлагаемых топлив является высокое содержание конденсированной фазы в продуктах сгорания. Потери на двухфазность можно значительно уменьшить, если перевести к-фазу в ультрадисперсное состояние (размер частиц < 0,5 мкм). Такого эффекта в предлагаемом двигателе можно добиться особыми методами организации внутрикамерных процессов (в соответствии с рекомендациями, описанными в гл.7).

6. Анализ возможных схем двигательных установок на внеземных окислителях показал, что двигатель на порошкообразном металлическом горючем является наиболее оптимальным вариантом. На основании полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана схема ракетного двигателя космического аппарата на ПМГ и внеземных окислителях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе даны ответы на многие вопросы (в первую очередь по организации рабочего процесса в установках на ПМГ) и нашли своё решение основные, поставленные в первой главе задачи.

1. Создана математическая модель воспламенения и горения частицы алюминия в потоке активных газов, учитывающая кинетические ограничения процессов. Проведённые по модели расчёты показали: а) в отличие от уже существующих предложенная модель адекватно описывает процессы образования оксида, расчет доли оксида, накопившегося на частице, хорошо согласуется с опытными данными; б) модель хорошо описывает и объясняет экспериментальные зависимости времени горения частиц алюминия от их размера и основных параметров потока (скорости, температуры, давления и содержания окислителя); в) в созданной модели получают ясную интерпретацию некоторые известные экспериментальные факты горения частиц алюминия, связанные с образованием оксида (асимметричность горения, распад частицы на отдельные капли, появление полых сфер в продуктах сгорания).

На основе этой модели разработана математическая модель горения в высокоскоростном потоке полифракционной аэровзвеси частиц алюминия, впервые учитывающая кинетику и неравновесную термодинамику процессов горения, как на поверхности частиц, так и в объёме потока. Модель позволяет рассчитывать горение сильно переобогащённой алюминиево-воздушной смеси. Выполненные расчеты горения промышленных порошков алюминия АСД-1 и АСД-4 показали: а) горение аэровзвеси частиц алюминия протекает в условиях сильной температурной, скоростной и химической неравновесности; б) после сгорания всех частиц при а < 1 значительная доля алюминия находится в газовой фазе в виде субоксида А120, поэтому сумма долей крупно дисперсного и ультрадисперсного оксида не равна 1; в) доля субоксида АЮ, образовавшегося на поверхности частиц, незначительна, и ее практически можно не учитывать; г) доля субоксида АЮ, образовавшегося в объеме потока также незначительна (много меньше доли пара А1 и А120) и её необходимо учитывать только при а= 0,7 . 1,2.

2. Разработан новый способ организации внутрикамерных процессов в двигательных и технологических установках на ПМГ и методы исследования таких процессов: а) предложены новые принципы организации процессов в двигательных и технологических установках на ПМГ (регулируемой подачи и распыления металлических порошков в воздушном потоке, сжигания металловоздушной смеси, защиты стенок камеры от воздействия высокотемпературного двухфазного потока с высокой концентрацией конденсированной фазы); б) разработан способ сжигания порошков металлов в воздушном потоке, учитывающий важнейшие особенности горения металловоздушных смесей без применения специальных механических устройств (решётки, плохообтекаемые тела, уступы и т.п.), вызывающих аэродинамическую рециркуляцию двухфазного потока; в) предложен метод улавливания конденсированной фазы из высокотемпературного потока продуктов сгорания установок на ПМГ, который позволяет выделить целевой продукт, полученный в технологических установках (дисперсные оксиды металлов), решить исследовательские задачи и устранить ряд экологических проблем.

В соответствии с разработанным способом организации сжигания ПМГ создана математическая модель, которая позволяет детально изучить процесс воспламенения и горения полифракционной аэровзвеси частиц металлов применительно к условиям работы камеры сгорания двигательных и технологических установок на ПМГ.

3. На основе учета особенностей горения металловоздушных смесей создана экспериментальная установка, позволяющая исследовать в широком интервале параметров воспламенение и горение металлических порошков и синтез порошкообразных оксидов металлов. Испытания экспериментальной установки с использованием алюминиевых порошков (АСД-1 и АСД-4) и субмикронного порошка бора марки Б-99 показали: а) возможность длительного функционирования установки; б) воспламенение и устойчивое горение алюминиево-воздушной смеси в широком интервале значений параметров: давление -0,1 . 1,0 МПа (алюминий), 0,3 . 1,0 МПа (бор), коэффициент избытка воздуха 1 . 10; в) устойчивость горения алюминиево-воздушной смеси полностью определяется устойчивостью процессов в форкамере, зависит от параметров первичного потока и не зависит от параметров вторичного потока; г) стабилизация пламени в первичной смеси была достигнута при низких значениях коэффициента 0,04 . 0,3 (алюминий), 0,06 . 0,15 (бор) и низкой среднеобъёмной скорости холодного потока аэровзвеси порошков АСД-1 1 . \2 м/с, АСД-4 1 . 40 м/с и Б-99 1 . 8 м/с-, д) эффективность сжигания алюминиево-воздушной смеси возрастает с увеличением давления в камере сгорания, уменьшением размера частиц и увеличением скорости подвода вторичного воздуха в поток горящей аэровзвеси.

4. Разработаны, обоснованы и подтверждены схема и проектные концепции регулируемого ПВРД ПМГ, его основных систем и элементов: регулируемой подачи и распыления ПМГ, первичного смесеобразования и воспламенения смеси, вторичного смесеобразования и сжигания смеси, защиты от теплового и эрозионного воздействия конструкции форкамеры и камеры сгорания и предотвращения отложения частиц к-фазы на их поверхность.

Создан экспериментальный низкотемпературный газогенератор с порошкообразным емкостным охладителем для системы подачи ПМГ.

Разработана математическая модель, описывающая процессы теплообмена, конденсации и испарения при фильтрации продуктов сгорания газогенератора через порошковый материал. Проведено более 100 испытаний низкотемпературного газогенератора (температура газа не превышала 500 К, а время работы в отдельных испытаниях достигало 360 с).

Сравнением результатов расчёта и эксперимента по определению внутрикамерных параметров установки сжигания ПМГ, уточнены кинетические характеристики математической модели горения потока аэровзвеси полифракционного алюминия. По уточнённой модели проведены расчёты влияния давления на коэффициент камеры в экспериментальной установке по сжиганию адюминиево-воз душной смеси. Хорошее согласование экспериментальной и расчётной зависимостей указывает на адекватность описания внутрикамерных процессов при использовании предложенной в работе модели горения аэровзвеси порошка алюминия (с уточнёнными кинетическими коэффициентами).

5. На основе разработанного автором способа сжигании аэровзвеси металлов и результатов расчетов влияния параметров окисляющей среды на процесс образования оксида, создана экспериментальная технологическая установка, позволяющая получать дисперсный оксид алюминия с разными свойствами. В результате испытаний экспериментальной установки определены и получены: а) устойчивая и эффективная работа технологической установки в широком диапазоне рабочих параметров; б) высокая производительность установки; в) возможность в широких пределах изменять свойства образующегося оксида (в соответствии с выше указанными результатами расчетов); г) возможность выделения широкого спектра частиц конденсированной фазы из высокотемпературного двухфазного потока продуктов сгорания.

6. Предложено прямое использование воды и азота в качестве внеземного компонента топлива (окислитель, рабочее тело) реактивных двигателей космических аппаратов. На основании полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана схема ракетного двигателя космического аппарата на ПМГ и внеземных окислителях. Предложены методы организации рабочего процесса в таком двигателе, обеспечивающие надёжное воспламенение и горение ПМГ в смесях с С02, Н20, К2, а также позволяющие существенно уменьшить двухфазные потери.

Настоящая работа и представленные в ней результаты исследований не решают, разумеется, всех проблем и задач, связанных с внутрикамерными процессами в двигательных и технологических установках на порошкообразных металлических горючих.

Несмотря на то, что в воздухе содержится около 80 % азота, в математических моделях горения алюминия, рассмотренных автором, непосредственно не учтена реакция азотирования металла, которая экспериментально подтверждена в данной работе и во многих других работах [9, 76 - 78]. Огневые стендовые испытания экспериментальной установки сжигания металлических горючих показали надежное воспламенение и устойчивое горение металловоздушных смесей в широком диапазоне изменения параметров, в том числе при очень низких коэффициентах избытка воздуха а (для алюминия - 0,04, для бора - 0,06), что указывает на наличие реакции взаимодействия металла с азотом.

При значениях коэффициента а = 0,2 . 0,4 эффективный учёт азотирования позволяет получить удовлетворительное совпадение расчёта с экспериментом. Без учёта азотирования расчётные и экспериментальные зависимости сильно отличаются. Однако при значении а < 0,2 требуется более точный учёт реакции образования нитрида (определение и непосредственное включение скорости реакции азотирования, в том числе её кинетики, в систему уравнений), который в данной работе не выполнен. В этом направлении требуются дальнейшие исследования.

Предварительные оценки показывают также широкие возможности предложенного метода синтеза ультрадисперсных порошков. В свете такой оценки открывается большая область научных изысканий, которые должны быть направлены на дальнейшее развитие и совершенствование предлагаемой технологии.

По теме диссертации получено 10 авторских свидетельств на изобретение и 1 патент на изобретение [199], опубликованы 1 монография [226] и 58 других работ [10,11,13,15 - 17,33 -35,41 -43,45,145, 146, 151 -153, 155- 158, 178, 186, 189, 191, 192, 200, 209,210,218-221,223,225, 227-245].

1. Мелькумов Т.М. Основные идеи Ф.А. Цандера в области ракетных двигателей. В кн.: Ф.А. Цандер и современная космонавтика. М.: Наука, 1976. С. 17-21.

2. Теория ракетных двигателей: Учебник для студентов высших технических учебных заведений / В.Е. Алемасов, А.Ф. Дрегалин, А.П. Тишин; Под ред. В.П. Глушко. М.: Машиностроение, 1989. - 464 с.

3. Горение порошкообразных металлов в активных средах / П.Ф. Похил, А.Ф. Беляев, Ю.В. Фролов и др. М.: Наука, 1972. - 294 с.

4. Ерохин Б.Т., Липанов A.M. Нестационарные и квазистационарные режимы РДТТ. М.: Машиностроение, 1972. - 200 с.

5. Зуев B.C., Макарон B.C. Теория прямоточных и ракетно-прямоточных двигателей. М.: Машиностроение, 1971. - 367 с.

6. Мержанов А.Г. СВС на пути к индустриализации. Черноголовка: ИСМАН, 2001.-62 с.

7. Мержанов А.Г. Твердопламенное горение. Черноголовка: ИСМАН, 2000. - 224 с.

8. Ягодников Д.А. Организация процессов воспламенения и горения порошкообразных металлов в камерах сгорания реактивных двигательных установок. Диссертация . д-ра техн. наук. М.: МГТУ, 1997. - 236 с.

9. Петренко В.И., Малинин В.И. Регулируемые ПВРД на порошкообразных металлических горючих новое перспективное направление в реактивном двигателестроении // Материалы IX

10. Всероссийской конференции: Исследование, проектирование и отработка регулируемых энергоустановок. Уфа, 2001. С. 11 - 24.

11. Бобров А.Н., Ягодников Д.А., Попов И.В. Воспламенение и горение двухкомпонентной газовзвеси порошкообразного горючего и окислителя // Физика горения и взрыва. 1992. Т. 28, № 5. С. 3 5.

12. Синтез нанооксидов в двухфазных ламинарных племенах / А.Н. Золотко, Я.И. Вовчук, Н.И. Полетаев и др. // Физика горения и взрыва. 1996. Т. 32, №3. С. 24-33.

13. Реактор горения порошков металлов в активном газе / В.И. Малинин, Е.И. Коломин, И.С. Антипин, A.A. Обросов // Научно-технические разработки в области СВС: Справочник / Под общей ред. академика А.Г. Мержанова. Черноголовка: ИСМАН, 1999. С. 184 - 185.

14. Малинин В.И., Коломин Е.И., Антипин И.С. Воспламенение и горение аэровзвеси алюминия в реакторе высокотемпературного синтеза порошкообразного оксида алюминия // Физика горения и взрыва. 2002. Т.38, №5. С. 41-51.

15. Малинин В.И. Получение оксида с заданными свойствами методом сжигания аэровзвеси порошка алюминия. Автореферат дисс. на соискание учёной степени канд. техн. наук. Пермь: ПГТУ, 2003. -16 с.

16. Машиностроительная керамика /А.П. Гаршин, В.М. Гропянов, Г.П. Зайцев, С.С. Семенов. СПб: Изд-во СПбГТУ, 1997. - 726 с.

17. Тонкая техническая керамика /Под ред. Янагида X. / Япония, 1982: Пер. с японск. М.: Металлургия, 1986. - 279 с.

18. Анциферов В.Н., Халтурин В.Г., Айнагос А.Ф. Лазерный синтез ультрадисперсных порошков оксидной керамики. Пермь: РИТЦ ПМ, 1995. -106 с.

19. Теоретические основы получения порошков металлов, тугоплавких соединений и керамики: Учеб. пособие по курсу «Процессы порошковой металлургии». 4.1 /И.Г. Севастьянова. Пермь: ПГТУ, 1998. -112 с.

20. Андриевский P.A. Порошковое материаловедение. М.: Металлургия, 1991. - 205 с.

21. Гаршин А.П., Гропянов В.М., Лагунов Ю.В. Абразивные материалы. Л.: Машиностроение, 1983. - 231 с.

22. Августиник А.И. Керамика. Л.: Стройиздат, 1975. - 502 с.

23. Андриевский P.A., Спивак И.И. Прочность тугоплавких соединений и материалов на их основе: Справочник Челябинск: Металлургия, 1989. - 367 с.

24. Балкевич В.П. Технологическая керамика. М.: Стройиздат, 1984. -256 с.

25. Ходаков Г.С. Физика измельчения. М.: Наука, 1972. - 308 с.

26. Порошковая металлургия и высокотемпературные материалы. Под ред. Расмакришнана П. / Пер. с англ. Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1990. - 352 с.

27. Борисенко А.И. Проблемы химии силикатов. Д.: Наука, 1974.360 с.

28. Пархоменко В.Д. Плазма в химической технологии. Киев: Наукова думка, 1986. - 174 с.

29. Получение CBC оксидов и нитридов в газе / В.И. Малинин, Е.И. Коломин, И.С. Антипин, А.А. Обросов // Научно-технические разработки в области СВС: Справочник / Под общей ред. академика А.Г. Мержанова. -Черноголовка: ИСМАН, 1999. С. 149 - 151.

30. Shafirovich, Е. Ya., Shiryaev, A.A., and Goldshleger, U. I.: Magnesium and Carbon Dioxide: a Rocket Propellant for Mars Missions. Journal of Propulsion and Power, Vol. 9, No. 2, 1993, pp. 197 203.

31. Shafirovich, E. Ya., and Goldshleger, U. I.: Mars Multi-Sample Return Mission. Journal of the British Interplanetary Society, Vol. 48, 1995, pp. 315 -319.

32. Shafirovich, E. Ya., and Goldshleger, U. I.: Prospects For Using C02/Metal Propellants in Mars Missions. Proceedings of the Twenty-Second1.ternational Pyrotechnics Seminar. IIT Research Institute, Chicago, Illinois, 1996, pp. 365-376.

33. Силкин Б.И. В мире множества лун / Под ред. E.JI. Рускол. М.: Наука, 1982.-208 с.

34. В.М. Хайлов. О возможности использования в воздушно-реактивных двигателях химической энергии соединения металлов с азотом воздуха. В кн.: Ф.А. Цандер и современная космонавтика. М.: Наука, 1976. С. 87-94.

35. Петренко В.И.[, Малинин В.И., Бербек A.M. Ракетные двигателидля полета на Марсе, использующие марсианские природные ресурсы // VI

36. Всероссийская научно-техническая конференция: Аэрокосмическая техника и высокие технологии 2003. Программа и тезисы докладов. - Пермь: ПГТУ, 2003. С. 121.

37. Бондарюк М.М., Ильяшенко С.М. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели. -М.: Оборонгиз, 1958. 392 с.

38. Физические основы рабочего процесса в камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей / Б.В. Раушенбах, С.А. Белый, И.В. Беспалов и др. М.: Машиностроение, 1964. - 526 с.

39. Процессы смесеобразования и горения в ВРД /А.Г. Прудников, М.С. Волынский, В.П. Сагалович. -М.: Машиностроение, 1971. 356 с.

40. Теория воздушно-реактивных двигателей. Под. ред. С.М. Шляхтенко. М.: Машиностроение, 1975. - 568 с.

41. Талантов A.B. Горение в потоке. М.: Машиностроение, 1978.160 с.

42. Особенность формирования агломератов при горении смесевых композиций / Е.И. Гусаченко, В.П. Фурсов, В.И. Шевцов и др. В кн.: Физика аэродисперсных систем. Киев-Одесса: Вища шк., 1982, вып.21. С. 62 - 66.

43. Лукин А.Я., Степанов A.M. Расчет дисперсности продуктов сгорания металлической частицы // Физика горения и взрыва. 1983. Т. 19, № 3. С. 41-50.

44. Лукин А.Я., Степанов A.M. Теоретическое исследование процессов образования конденсированных продуктов при горении частиц металла // Физика горения и взрыва. 1983. Т. 19, № 4. С. 45 49.

45. Исследование конденсированных продуктов горения магниевых порошков. I. Зависимость от давления / Е.И. Гусаченко, Л.Н. Стесик, В.П. Фурсов, В.И. Швецов // Физика горения и взрыва. 1974. Т. 10, № 4. С. 548 -554.

46. Исследование конденсированных продуктов горение магниевых порошков. II. Зависимость от размера частиц /Е.И. Гусаченко, Л.Н. Стесик,

47. В.П. Фурсов, В.И. Швецов // Физика горения и взрыва. 1974. Т. 10, № 5. С. 669 676.

48. Физико-химические свойства элементов. Справочник /Под ред. Г.В. Самсонова. Киев: Наукова Думка, 1965. - 807 с.

49. Окисление металлов. Т.2 /Под. ред. Ж. Бенара. Перев. с франц. -М.: Металлургия, 1969. 444 с.

50. Свойства элементов. Справ, изд. /Под. ред. М.Е. Дрица. М: Металлургия, 1985, - 672 с.

51. Ген М.Я., Фролов Ю.В., Сторожев В.Б. О горении частиц субдисперсного алюминия // Физика горения и взрыва. 1978. Т. 14, № 5. С. 153 155.

52. Гремячкин В.М. К теории воспламенения металлических частиц // Физика горения и взрыва, 1983. Т. 19, № 3. С. 9 14.

53. Гуревич М.А., Лапкина К.И., Озеров Е.С. Предельные условия воспламенения частицы алюминия // Физика горения и взрыва. 1970. Т.6, № 2. С. 172- 176.

54. Горение металлов при высоких давлениях (трёхзонная модель) /В.М. Кудрявцев, A.B. Сухов, A.B. Воронецкий, А.П. Шпара // Физика горения и взрыва, 1979, Т. 15, № 6. С. 50 57.

55. О накоплении окиси алюминия на горящей частице алюминия / В.М. Гремячкин, А.Г. Истратов, В.И. Колесников-Свинарев, О.И. Лейпунский // Физика горения и взрыва. 1980. Т. 16, № 1. С. 155 156.

56. Модель воспламенения одиночной частицы бора во влажных средах /Л.А. Гапоненко, С.Н. Буйновский, Ю.И. Тулупов, Т.А. Яковлева // Физика горения и взрыва, 1981. Т. 17, № 1. С. 13-19.

57. Гуревич М.А., Кирьянов И.М., Озеров Е.С. Горение одиночных частиц бора // Физика горения и взрыва. 1969. Т. 5, № 2. С. 217 222.

58. Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. Основные характеристики горения. М.: Химия, 1977. - 320 с.

59. Попов Е.И., Великанова В.П. Самовоспламенение алюминиево-магниевых порошков в углекислом газе. В кн.: Физика аэродисперсных систем. Киев - Одесса: Вища шк. 1985, вып. 28. С. 25-27.

60. Влияние параметров окисляющей среды на горение капли алюминия / В.И. Колесников-Свинарев, Истратов А.Г., Смирнов В.И. и др. //Физика аэродисперсных систем. Киев-Одесса: Вища шк. 1987, вып. 31. С. 57-63.

61. Yuasa, S. and Isoda, H. Ignition and combustion of metals in a carbon dioxide stream. Twenty-Second Symposiums (International) on Combustion. The Combustion Institute, 1988, pp. 1635 1641.

62. Шафирович Е.Я., Гольдшлегер У.И. Воспламенение и горение частиц магния в углекислом газе // Физика горения и взрыва, 1990, Т. 26, № 6. С. 50-57.

63. Валов А.Е., Гусаченко Е.И., Шевцов В.И. Влияние давления С02 и его концентрации в смесях с Ar на воспламенение одиночных частиц Mg // Физика горения и взрыва, 1992, Т.28, №1.С.9-12.

64. Shafirovich, Е. Ya., and Goldshleger, U. I. Combustion of Magnesium Particles in C02 / CO Mixtures. Combustion Science and Technology, 1992, V. 84. P. 33 -43.

65. Валов A.E. Воспламенение и горение одиночных частиц магния в воздухе и углекислом газе. Автореферат дисс. на соискание учёной степени канд. физ.-мат. наук. Черноголовка: ИХФЧ РАН, 1993. - 14 с.

66. Рыжик А.Б. Режимы теплового взрыва дисперсного магния в средах с недостатком окислителя // Физика горения и взрыва, 1978, Т. 14, № З.С. 149-151.

67. Попов Е.И., Великанова В.П. Воспламенение алюминиево-магниевых порошков в азоте. В кн.: Физика аэродисперсных систем. Киев -Одесса: Вища шк. 1982, вып. 24. С. 48 - 50.

68. О влиянии азота на горение алюминия / В.М. Боборыкин, В.М. Гремячкин, А.Г. Истратов и др. // Физика горения и взрыва, 1983, Т. 19, № 3. С. 22-30.

69. Газификация окиси бора /Я.И. Вовчук, А.Н. Золотко, J1.A. Клячко и др. // Физика горения и взрыва, 1974. Т. 10, № 4. С. 615 618.

70. Ассовский И.Г., Губин С.А. О сажеобразовании при горении алюминия в двуокиси углерода // Научная конференция ИХФ РАН. М.: ИХФ, 2002. С. 46. - 47.

71. Т. Бржустовский, И. Глассмен. Парофазные диффузионные пламена при горении магния и алюминия. I. Аналитическое исследование. В кн.: Гетерогенное горение. -М.: Мир, 1967. С. 91 125.

72. JI.A. Клячко. Воспламенение и горение металлических частиц. В кн.: Ф.А. Цандер и современная космонавтика-М.: Наука, 1976. С. 145 157.

73. Время горения частиц бора с учётом влияния диффузионного и кинетического факторов /Я.И. Вовчук, А.Н. Золотко, JI.A. Клячко и др. В кн.: Горение конденсированных систем. Черноголовка: ОИХФ АН СССР, 1977. С. 90-93.

74. Воспламенение и горение бора / М.В. Кудрявцев, A.B. Сухов, A.B. Воронецкий, С.Н. Пеньков. В кн.: Физика аэродисперсных систем. Киев-Одесса: Вища шк., 1985, вып. 27. С. 34 - 39.

75. Macek A. Combustion of Boron Particles. 14-Th Symposium International on Combustion, Pittsburgh, Pa., 1972. P. 1401 - 1411.

76. К теории горения металлических частиц / В.M. Гремячкин, А.Г. Истратов, О.И. Лейпунский. В кн.: Физические процессы при горении и взрыве. M.: Атомиздат, 1980. С. 4 - 68.

77. Физико-химические свойства окислов. Справ, изд. /Под ред. Г.В. Самсонова. М.: Металлургия, 1978. - 478 с.

78. Раздобреев A.A., Скорик А.И., Фролов Ю.В. К вопросу о механизме воспламенения и горения частиц алюминия // Физика горения и взрыва, 1976, Т. 12, № 2. С. 203 208.

79. Раздобреев А,А. Закономерность слияния, воспламенения и горения частиц алюминия в условиях нестационарного нагрева. Автореферат на соискание уч. ст. канд. физ.-мат. наук. Новосибирск, 1982. - 22 с.

80. Роль процесса испарения легколетучих металлов в механизме их высокотемпературного окисления и воспламенения /В.П. Фурсов, В.И. Шевцов, Е.И. Гусаченко, Л.Н. Стесик // Физика горения и взрыва, 1980. Т. 16, №3. С. 3- 12.

81. Шевцов В.И. Испарение веществ в окислительную среду // Физика горения и взрыва, 1985. Т. 21, № 6. С. 62 69.

82. Бабук В.А., Васильев В.А., Романов О.Я. Физико-химические превращения капель А1-А1203 в потоке активного газа // Физика горения и взрыва, 1993. Т. 29, № 3. С. 129 133.

83. Бабук В.А., Белогуб М.В., Васильев В.А. Модель горения частицы А1-А1203 в кислороде // Международная школа семинар: Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем. Сборник материалов. - СПб: БГТУ, 1995. С. 170 - 174.

84. Babuk V.A., and Vasilyev V.A. Model of Aluminum Agglomerate Evolution in Combustion Products of Solid Rocket Propellant // Journal of Propulsion and Power. 2002. Vol. 18, No. 4.

85. Модель горения мелких капель металла с учётом образования конденсированной окиси / В.М. Гремячкин, А.Г. Истратов, О.И. Лейпунский. В кн.: Горение и взрыв. М.: Наука, 1977. С. 329 - 334.

86. Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. Ч. 1. М.: Наука, 1987.-464 с.

87. Рахматуллин Х.А. Основы газодинамики взаимопроникающих движений сжимаемых сред // Прикладная математика и механика, 1956. Т. 20, №2. С. 184-195.

88. Распространение пламени в переобогащённых газовзвесях / Н.Д. Агеев, C.B. Горошин, J1.A. Клячко. В кн.: Физика аэродисперсных систем. -Киев-Одесса: Вища шк., 1985, вып. 27. С. 84 88.

89. О механизме ламинарного пламени в аэровзвесях металлических частиц / В.Г. Шевчук, А.К. Безродных, Л.В. Бойчук и др. // Физика горения и взрыва, 1988. Т. 24, № 2. С. 85 89.

90. Ягодников Д.А., Вяткин А.И., Иванов В.В. Теоретическое и экспериментальное исследование взаимодействия алюминия с воздухом // Вопросы двигателестроения. М.: МГТУ, 1988. С. 11 - 16. - (Тр. МГТУ; № 510).

91. Ягодников Д.А., Воронецкий A.B., Сухов A.B. Распространение ламинарного пламени в моно- и полидисперсной аэровзвеси // Химическая физика, 1990. Т. 9, № 12. С. 1611 1614.

92. Ягодников Д.А. Распространение ламинарного пламени в полидисперсной аэровзвеси // Вопросы двигателестроения. М.: МГТУ, 1992. С. 40 - 47. - (Тр. МГТУ; № 555).

93. Ягодников Д.А., Воронецкий A.B. Влияние скоростной неравновесности на особенности распространения ламинарного пламени в аэродисперсной среде // Физика горения и взрыва. 1992. Т. 28, №5. С. 38 44.

94. Воронецкий A.B., Павлов Д.Г., Сухов A.B. Моделирование турбулентного фронта пламени в двухфазной среде // Химическая физика процессов горения и взрыва: Горение гетерогенных и газовых систем. -Черноголовка: ОИХФ РАН, 1989. С. 89 92.

95. Статистическая модель двухфазного реагирующего турбулентного потока /A.B. Воронецкий, A.B. Сухов, Д.Г. Павлов, Д.А. Ягодников // Физика горения и взрыва, 1989. Т. 25, № 3. С. 53 59.

96. Ягодников Д.А. Статистическая модель горения боровоздушной смеси в турбулентном потоке // Физика горения и взрыва, 1996. Т. 31, № 6. С. 29-46.

97. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1976. -888 с.

98. Медведев А.Е., Федоров A.B., Фомин В.М. Описание воспламенения и горения смесей газа и твёрдых частиц методами механики сплошной среды // Физика горения и взрыва, 1984. Т. 20, № 2, С. 3 9.

99. Афанасьева Е.А., Левин В.А. Воспламенение и горение частиц алюминия за ударными и детонационными волнами // Физика горения и взрыва, 1987. Т.23, № 1, С. 8 14.

100. Математическое моделирование горения взвеси частиц. Часть 1. Физико-математическая формулировка задачи /В.В. Калинчак, В.А. Двойнишников, Т.В. Виленский. В кн.: Физика аэродисперсных систем. -Киев-Одесса: Вища школа, 1986, вып. 29. С. 24 29.

101. Валов А.Е., Гусаченко Е.И., Шевцов В.И. Влияние давления окислительной среды и концентрации кислорода на воспламенение одиночных частиц магния //Физика горения и взрыва, 1991, Т.27, №4. С.З 7.

102. ИЗ.Хайкин Б.И., Блошенко В.Н., Мержанов А.Г. О воспламенении частиц металла // Физика горения и взрыва, 1970. Т. 6, № 4. С. 474 480.

103. Изучение индукционных задержек при воспламенении газовзвесей металлических порошков / А.Б.Рыжик, Б.С.Лимонов, B.C. Махин. В кн.: Физика аэродисперсных систем. Киев-Одесса: Вища шк., 1974, вып. 12. С. 71 -76.

104. Задержка воспламенения газовзвеси частиц бора / А.Н. Золотко, Л.А. Клячко, K.M. Копейка и др. В кн.: Горение конденсированных систем. Черноголовка: Наука, 1977. С. 88 90.

105. Воспламенение и горение газовзвеси частиц алюминия /С.Н. Афанасьев, В.Ю. Жарков, Е.С. Озеров. В кн.: Физика аэродисперсных систем. Киев-Одесса: Вища шк., 1985, вып. 27. С. 39 42.

106. Критические условия воспламенения аэровзвесей порошков легких металлов / Ю.А. Юрманов, А.Б. Рыжик, Б.С. Лимонов, B.C. Махин. В кн.: Горение и взрыв. М.: Наука, 1977. С. 335 - 339.

107. Критические условия воспламенения газовзвеси частиц бора/А. Н. Золотко, Л.А. Клячко, K.M. Копейка и др. // Физика горения и взрыва, 1977. Т. 13, № 1. С. 38-44.

108. Критические условия воспламенения взвеси конгломератов и частиц бора /А. Н. Золотко, Д.И. Полищук, А.И. Швец // Физика горения и взрыва, 1980. Т. 16, № 1. С. 10 14.

109. Воспламенение двухкомпонентной газовзвеси частиц металлов /А.Н. Золотко, A.M. Мацко, Д.И. Полищук и др. // Физика горения и взрыва, 1980. Т. 16, № 1.С. 23 -36.

110. Скорость распространения пламени в газовзвесях частиц магния /В.Г. Шевчук, C.B. Горошин, Л.А. Клячко и др. // Физика горения и взрыва, 1982. Т. 18, №5. С. 57-63.

111. О режимах распространения пламени в аэровзвесях металлических частиц /В.Г. Шевчук, E.H. Кондратьев, А.Н. Золотко и др. // Физика горения и взрыва, 1982. Т. 18, № 5. С. 70 76.

112. Нестационарное распространение пламени в газовзвесях частиц твёрдых горючих / В.Г. Шевчук, E.H. Кондратьев, JI.B. Бойчук и др. В кн.: Физика аэродисперсных систем. Киев-Одесса: Вища шк., 1985, вып. 27. С. 70-73.

113. Агеев Н.Д. Ламинарный двухфазный факел. Эксперимент и теория. Автореферат на соискание уч. ст. канд. физ.-мат. наук. Одесса: ОГУ, 1987.- 16 с.

114. Скорость стационарного пламени в газовзвесях алюминия / Н.Д. Агеев, C.B. Горошин, А.Н. Золотко и др. В кн.: Химическая физика процессов горения и взрыва: Горение гетерогенных и газовых систем. -Черноголовка: ОИХФ РАН, 1989. С. 83 85.

115. О возможности увеличения скорости распространения фронта пламени в аэровзвеси алюминия /Д.А. Ягодников, A.B. Воронецкий, В.В. Мальцев, В.А. Селезнев // Физика горения и взрыва, 1992. Т. 28, № 2. С. 51-54.

116. Ягодников Д. А., Воронецкий A.B. Экспериментально-теоретическое исследование воспламенения и горения аэровзвеси капсулированных частиц алюминия //Физика горения и взрыва, 1997. Т. 33, №1. С. 60-68.

117. Ягодников Д.А., Сухов A.B. Повышение реакционной способности порошкообразных металлических горючих // Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем: Сб. лекций СПб: БГТУ, 1997. Т. 2. С. 20-35.

118. Yagodnikov D.A., Voronetskii A.V., Sukhov A.V. Heat and mass transfer in turbulent combustion of airdisperse systems // Heat transfer research, 1993. Vol. 25, No. 3. P. 389 392.

119. Ягодников Д.А., Сухов A.B. Визуализация и анализ изображений турбулентного горения аэровзвеси алюминия // Химическая физика процессов горения и взрыва. Горение: Тезисы докладов X Всес. Симпозиума по горению и взрыву. — Черноголовка, 1992. С. 99 100.

120. Алексеев А.Г., Судакова И.В. Скорость распространения пламени в аэровзвесях металлических порошков // Физика горения и взрыва, 1983. Т. 19, №5. С. 34-36.

121. Кумагаи. Горение. Пер. с японск. М.: Химия, 1979. - 256 с.

122. Распространение фронта химической реакции в двухфазном потоке / В.М. Кудрявцев, A.B. Сухов, A.B. Воронецкий и др. В кн.: Высокотемпературные газовые потоки, их получение и диагностика. -Харьков: ХАИ, 1986, вып. 4. С. 66 69.

123. Ягодников Д.А., Воронецкий A.B., Лапицкий В.И. Распространение пламени по аэровзвеси алюминия при пониженных давлениях // Физика горения и взрыва. 1995. Т. 31, № 5. С. 23 31.

124. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Под ред. В.П. Глушко М.: Наука. 1981. Т. 3, кн. 2. - 400 с.

125. Физические величины: Справочник. А.П. Бабичев, H.A. Бабушкина, A.M. Братковский и др. /Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова М.: Энергоатомиздат, 1991. - 563 с.

126. Справочник металлурга по цветным металлам. Производство алюминия. М.: Металлургия, 1971. - 320 с.

127. Гидродинамика и теория горения потока топлива /Б.А. Канторович, В.И. Миткалинный, В.М. Делягин и др. М.: Металлургия. 1971.-488 с.

128. Сжигание мелкодисперсного порошка алюминия в потоке воздуха / А.Г. Егоров, К.В. Мигалин, В.Я. Ниязов и др. // Химическая физика. 1990. Т. 9, №12. С. 1633 1635.

129. Егоров А.Г., Кальней А.Д., Шайкин А.П. Стабилизация пламени порошкообразного металлического горючего в турбулентном потоке воздуха // Физика горения и взрыва. 2001. Т. 37, № 5. С. 28 35.

130. Егоров А.Г. Стабилизация пламени в турбулентном двухфазном потоке // Химическая физика. 2003. Т. 22, № 4. С. 70 79.

131. Щетинков Е.С. Физика горения газов. М.: Наука, 1965. - 739 с.

132. Модель горения частицы алюминия с учетом кинетического фактора /И.М. Кирьянов, В.И. Малинин, Е.И. Котельникова, A.B. Сухов // Химическая физика. 1990. Т. 9, № 12. С. 1606 1610.

133. Малинин В.И., Коломин Е.И., Антипин И.С. Особенности горения частицы алюминия в потоке активных газов //Физика горения и взрыва. 1999. Т.35,№1. С. 41 -47.

134. Двухфазные моно- и полидисперсные течения газа с частицами /Л.Е. Стернин, Б.Н. Маслов, A.A. Шрайбер, A.M. Подвысоцкий. М.: Машиностроение, 1980. - 172 с.

135. Троицкий И.А., Железнов В.А. Металлургия алюминия. М.: Металлургия, 1977. - 392 с.

136. Кэй Дж., Лэби Т. Таблицы физических и химических постоянных. -М.: Физматгиз, 1962.-248 с.

137. Беляев А.Ф., Фролов Ю.В., Коротков А.И. О горении и воспламенении частиц мелкодисперсного алюминия // Физика горения и взрыва. 1968. Т. 4, № 3. С. 323 329.

138. Малинин В.И., Коломин Е.И., Антипин И.С. Модель горения высокоскоростного потока аэровзвеси частиц алюминия, учитывающая кинетику процессов и особенности накопления окисла // Химическая физика. 1998. Т. 17, № 10. С. 80-92.

139. Бахвалов Н.С. Численные методы (анализ, алгебра, обыкновенные дифференциальные уравнения). М.: Наука, 1975, 632 с.

140. Роль реакции азотирования в распространении пламени по переобогащенным металловоздушным смесям / Д.А. Ягодников, A.B. Сухов, В.И. Малинин, И.М. Кирьянов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 1990, № 1. С. 121 - 124.

141. Малинин В.И., Петренко В.И. Особенности распространения пламени по аэровзвеси частиц алюминия // III Международная школа-семинар: Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем. Сборник материалов. СПб: БГТУ, 2000. С. 135 137.

142. Островский Г.М. Пневматический транспорт сыпучих материалов в химической промышленности. Л.: Химия, 1984. - 104 с.

143. Горбис З.Р. Теплообмен и гидромеханика дисперсных сквозных потоков. М.: Энергия, 1970. - 639 с.

144. Дзядзио A.M. Пневматический транспорт на зерноперерабатывающих предприятиях. М.: Заготиздат, 1961. - 328 с.

145. Казанцев В.В. Исследование пневмотранспорта в плотной фазе порошковых материалов по горизонтальным транспортным трубопроводам. -Канд. дисс. Л.: 1978. - 142 с.

146. Малис А .Я. Пневматический транспорт сыпучих материалов при высоких концентрациях. -М.: Машиностроение, 1969. 178 с.

147. Разумов И.М. Пневмо- и гидротранспорт в химической промышленности. М.: Химия, 1979. - 248 с.

148. Трусов Б.Г. Моделирование химических и фазовых равновесий при высоких температурах (АСТРА.4). Препринт МГТУ, 1991. 30 с.

149. Бахман H.H., Беляев А.Ф. Горение гетерогенных конденсированных систем. М.: Наука. 1967. - 226 с.

150. Smoot L.D., Horton HD. Flame Propagation in the Coal Dust // Progress in Energy and Combustion Science, 1977, V. 3, No 4, pp. 235 239.

151. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука. 1987. - 502 с.

152. P.A. Барлас. Исследование горения аэровзвеси металлического порошка в области нижнего концентрационного предела взрываемости. Автореферат дисс. . канд. техн. наук. Севастополь, 1973. 26 с.

153. Халилова Р.Х. Очистка от пыли выбросов предприятий теплоизоляционных, огнеупорных и дорожно-строительных материалов. -Ташкент: Фан, 1987. 99 с.

154. Балтренас П.Б. Обеспыливание воздуха на предприятиях стройматериалов. М.: Стройиздат, 1990. - 181 с.

155. Пирумов А.И. Обеспыливание воздуха. М.: Стройиздат, 1981.296 с.

156. Скрябин Г.М., Коузов П.А., Пылеулавливание в химической промышленности. Л.: Химия, 1976. - 64 с.

157. Ужов В.Н., Вальдберг А.Ю. Очистка газов мокрыми фильтрами. — М.: Химия, 1972. 246 с.

158. Ефремов Г.И., Лукаческий Б.П. Пылеочистка. М.: Химия, 1990.-72 с.

159. Коузов П.А., Мальгин А.Д., Скрябин Г.М. Очистка от пыли газов и воздуха в химической промышленности. Л.: Химия, 1985. - 256 с.

160. Алиев Г.М. Техника пылеулавливания и очистки промышленных газов. М.: Металлургия, 1986. - 544 с.

161. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей /А.П. Васильев, В.М. Кудрявцев, В.А. Кузнецов и др. М.: Высш. шк. 1983. -656 с.

162. Взрывоопасность металлических порошков /В.В. Недин, О.Д. Нейков, А.Г. Алексеев, В.А. Кривцов. Киев: Наукова думка, 1971.-131 с.

163. Шевчук В.Г., Вовчук Я.И., Золотко А.Н., Полищук Д.Д. Воспламенение конгломератов частиц бора // Физика горения и взрыва. 1975. Т. 11, №2. С. 218-223.

164. Вовчук Я.И., Золотко А.Н., Полищук Д.Д. Воспламенение и горение конгломератов частиц бора. В кн.: Химическая физика процессов горения и взрыва: Горение конденсированных систем. Черноголовка: ОИХФ РАН, 1980. С. 11-14.

165. Polishchuk D.I., Zolotko A.N., Shevchuk Y.G. Ignition of boron particles // Arch. Termodinamiki y Splania. 1976. P. 81 85.

166. Macek A. Combustion of Boron Particle at atmosphere pressure // Combustion Science and Technology, 1969. V. 1. P. 181 191.

167. Бойчук JI.B., Шевчук В.Г., Швец А.И. Распространение пламени в двухкомпонентных составах газовзвесей алюминия и бора // Физика горения и взрыва. 2002. Т. 38, № 6. С. 51 54.

168. Егоров А.Г. Процессы горения порошкообразного алюминия в прямоточных камерах реактивных двигательных установок. Самара: СНЦ РАН, 2004. - 376 с.

169. Серебренников С.Ю. Аварийные системы с газогенераторами и двигателями на твердом топливе (теория и эксперимент). Екатеринбург: УрО РАН, 2002. - 266 с.

170. Малинин В.И., Коломия Е.И., Серебренников С.Ю., Антипин И.С. Охлаждение продуктов сгорания газогенераторных топлив в порошкообразных емкостных охладителях / Вестник ПГТУ. Аэрокосмическая техника, 2002 г., № 13. С. 72 76.

171. Коломия А.Е., Малинин В.И., Серебренников С.Ю. Влияние основных параметров на процесс теплообмена в порошкообразномемкостном охладителе // Вестник ИжГТУ. 2004. - Вып. 1. - С. 3 - 7.

172. Беляев Ю. Двигатели авиационных ракет // Зарубежное военное обозрение. 1987, № 12. С. 45 51.

173. Проектирование и конструкция ракетно-космических систем // Экспресс информация ВИНИТИ. Серия: Астронавтика и ракетодинамика. 1988, № 12. С. 1-25.

174. Двигательные установки ракетно-космических систем // Экспресс информация ВИНИТИ. Серия: Астронавтика и ракетодинамика. 1988, № 28. С. 1-8.

175. Военная авиация. Самолёты, вертолёты, ракетное вооружение. Кн. 2 / Справочник. Минск: ООО «Попурри». 2000. - 496 с.

176. Егоров К. Перспективы развития зарубежных управляемых ракет класса «воздух воздух»//Зарубежное военное обозрение. 2001, №8. С. 32-37.

177. Шишков A.A., Румянцев Б.В. Газогенераторы ракетных систем. -М.: Машиностроение, 1981. 152 с.

178. Газогенератор / Е.И. Коломин, В.И. Малинин, С.Ю. Серебренников, А.Е. Коломин // Патент РФ № 2292234, С 2, 27.01. 2007.

179. Стернин JI.E. Основы газодинамики двухфазных течений в соплах. М.: Машиностроение. 1974. - 212 с.

180. Бронин Ф.А. Исследование кавитационного разрушения и диспергирования твердых тел в ультразвуковом поле. Канд. дисс. М., 1974.

181. Агранат Б.А. Теоретические и экспериментальные исследования воздействия мощного ультразвука на процессы металлургического производства. Док. дисс. М., 1968.

182. Ребиндер П.А. Поверхностные явления в дисперсных системах. — М.: Наука, 1979.- 187 с.

183. Технология неорганических порошковых материалов и покрытий функционального назначения / Ю.П. Удалов, A.M. Германский, В.А. Жабрев и др. / Под ред. Ю.П. Удалова. СПб: 1999. - 428 с.

184. Лазерная техника и технология. В 7 кн. Кн. 1. Физические основы технологических лазеров: Учеб. пособие для вузов / Голубев B.C., Лебедев Ф.В. Под ред. Григорьянца А.Г. М.: Высш. шк., 1987. 191 с.

185. Справочник по лазерной технике: Пер. с нем. М.: Энергоатомиздат, 1991. 544 С.

186. Стационарное горение газовзвесей твёрдых горючих. Ламинарный диффузионный двухфазный факел /Н.Д. Агеев, Я. И. Вовчук, С.В. Горошин и др. // Физика горения и взрыва. 1990. Т. 26, № 6. С. 54 62.

187. Келбалиев Г.И., Рзаев А.Г. Осаждение частиц из концентрированного дисперсного потока // Инженерно-физический журнал. 1991. Т. 61, № 3. С.365 372.

188. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость: Пер. с англ. 2-е изд. М.: Мир, 1984. - 306 с.

189. Буянова Н.Е., Карнаухов А.П., Алабужев Ю.А. Определение удельной поверхности твердых тел. Новосибирск: Наука, 1965. - 10 с.

190. Горелик С.С., Расторгуев JI.H., Скапов Ю.А. Рентгенографический и электроннооптический анализ. 2-е изд. -М.: Металлургия, 1970. 366 с.

191. Миркин Л.И. Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов. М.: Металлургия, 1970.

192. Гоулстейн Дж, Ньюберн Д., Эчлин П. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ. Кн.1. М.: Мир, 1984.

193. Гоулстейн Дж., Ньюберн Д., Эчлин П. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ. Кн.2. М.: Мир, 1984.

194. Yuasa, S. and Isoda, H. Carbon Dioxide Breathing Propulsion for a Mars Airplane // AIAA Paper 89 2863, July 1989.

195. Ротери Д. Планеты / Перевод с англ. Т. Новиковой. М.: ФАИР-ПРЕСС, 2005.-320 с.

196. Малинин В.И. Внутрикамерные процессы в установках на порошкообразных металлических горючих. Екатеринбург-Пермь: УрО РАН, 2006. - 262 с.

197. Кирьянов И.М., Малинин В.И., Котельникова Е.И. Расчет влияния давления на воспламенение бора при различных константах окисления // Физика горения и взрыва. 1983. Т. 19. № 5. С. 98 102.

198. Сферический порошок оксида алюминия / В.И. Малинин, Е.И. Коломин, И.С. Антипин, А.А. Обросов / Научно-технические разработки в области СВС: Справочник / Под общей редакцией акад. А.Г. Мержанова. -Черноголовка: ИСМАН, 1999. С.104- 105.

199. Малинин В.И., Егоров А.Г., Антипин И.С. Математическое моделирование стабилизации пламени алюминиево-воздушной смеси в камере с внезапным расширением // XIII Симпозиум по горению и взрыву: Тезисы докладов. Черноголовка: 2005. С. 36

200. Анализ влияния основных параметров на процесс теплообмена в порошковом емкостном охладителе / А.Е. Коломин, В.И. Малинин, С.Ю. Серебренников, Б.Ф. Потапов // Вестник ПГТУ. Аэрокосмическая техника, 2005, №22. С. 43-49.

201. Malinin V.I., Kolomin Ye.I., and Antipin I.S. Combustion of aluminum Particles in Flows of Reactive Gases // Combustion, Explosion and Shock Waves, vol. 35, No.l, 1999, pp.36 42.

202. Malinin V.I., Kolomin Ye.I., and Antipin I.S. Ignition and Combustion of Aluminum Air Suspensions in a Reactor for High-Temperature Synthesis of Alumina Powder // Combustion, Explosion, and Shock Waves, vol. 38, No. 5, pp. 525 - 534, 2002.