Главная | Двигатели => МА-40 => Воспламенение
Основной воспламенительный состав МА-40
Введение NaNO3(35%) + NH4NO3(35%) + Сорбит(30%) NH4NO3(70%) + ЭДП(30%)
NH4NO3(80%) + ЭДП(20%) NH4NO3(75%) + Силикон(25%) NaNO3(75%) + Силикон(25%)
NH4NO3(35%) + NaNO3(35%) + ЭДП(30%) NH4NO3(50%) + NaNO3(20%) + ЭДП(25%) + S(5%) NaNO3(70%) + Сорбит(30%)
NaNO3(58%) + NH4NO3(1%) + Сорбит(30%) + S(11%) NaNO3(60%) + Сорбит(40%) NaNO3 + Газетная бумага Табличные данные испытаний

Введение В начало

Собственно то, ради чего я это всё затеял. Составы на нитрате натрия и аммония горят медленно и с большим выделением газообразных продуктов, что приводит к сильному оттоку тепла с воспламеняемой поверхности, поэтому их бывает сложно воспламенить. Потому им требуется больше тепловой энергии на воспламенение от воспламенительного состава. Если идти обычным путём, увеличивая мощность горения и тепловыделение воспламенительного состава, то это может привести к значительному увеличению начального давления при выходе двигателя на режим. Т.е. когда давление в камере будет на уровне рабочего, оно вырастет выше него и довольно сильно, если дополнительно с топливом на режимном давлении будет догорать воспламенительный состав.

Всё дело в том, что мощные пиротехнические составы горят под давлением быстрее используемых мной видов топлив, и, тем самым, повышают рабочее давление выше допустимых значений, снижая запас прочности конструкции и повышая риск её разрушения ещё в самом начале работы двигателя. Поэтому на начальном опытном этапе разработке двигателей я применяю маломощный воспламенительные составы, которые не приводят к скачкам давления и снимают риски с этим связанные, что упрощает их опытную разработку.

К данным воспламенительным составам предъявляются следующие требования:

 

  • Низкая скорость горения в используемом диапазоне давлений
  • Устойчивое горение при атмосферном давлении в заданный промежуток времени
  • Образование большого количества газов, желательно с высокой температурой
  • Низкое содержание конденсированной фазы в продуктах сгорания
  • Высокая плотность, чтобы после возгорания поверхности топлива, и воспламенительный состав играл роль уже топлива, т.е. обеспечивал высокое массовое совершенство двигателя и УИ
  • Возможность легкого воспламенения от инициирующих составов в заданном объёме

До этого момента я использовал два основных типа воспламенительных составов: топливо NaNO3(58%) + NH4NO3(1%) + Сорбит(30%) + S(11%) (поскольку это установившийся составв моей практике, то ему дано кодовое имя NNSS) и обыкновенная селитра на бумаге. Оба состава хорошо горят при атмосферном давлении, образуют мало шлаков. Но у селитры низкая плотность и довольно большая скорость горения, поэтому с ней не получается эффективно использовать объём в двигателе под воспламенительный состав. У топлива NNSS как оказалось всё же есть некоторое шлакообразование при горении в атмосферном давлении. От селитры я уже давно отказался, сейчас она используется только как инициирующее вещество в двигателях. А вот, что происходит внутри двигателя при использовании в качестве воспламенительного состава топлива NNSS в районе соединения первого и второго сегментов двигателей Р40:

При низком давлении это топливо не может полностью перевести весь шлак в дым, и он собирается каплями на дне и выплёвывается вместе со струёй. Шлак, попавший в канал шашки скапливается на её поверхности и вызывает преждевременное локальное или очаговое возгорание поверхности топлива, фактически разъедая его вглубь. Это приводит к медленному набору тяги и потери УИ двигателя.

Чертёж шашки для испытания образцов
Чертёж 1 - Конструкция шашки для проведения ипытаний

NaNO3(35%) + NH4NO3(35%) + Сорбит(30%) В начало

Это первый испытанный состав. Сначала пытался сделать окислительную смесь NaNO3 : NH4NO3 в требуемом соотношении путём частичной реакции пищевой соды с нитратом аммония. Оказалось, что при высушивании нитрат аммония незаметно стал плавиться и невозможно было заметить границу сухой - не сухой. При этом начало выделяться большое количество дыма, из-за возгонки нитрата аммония. Потом просто смешал готовые и сухие NaNO3 и NH4NO3 и смешал их с расплавленным сорбитом. Смесь была довольно текучей, как вода и оставалась такой очень долго, пока почти полностью не остыла. Состав сильно гигроскопичен. Горит с большим трудом, при атмосферным давлении гаснет. Возможно, на давлении в 10атм или в 20атм будет стабильное горение. А при атмосферном давлении у него возникает очень толстый прогретый и расплавленный слой, который отекает даже под действием силы тяжести, что вызывает сильную неустойчивость горения.

Учитывая, сильную гигроскопичность испытуемый образец был с торца покрыт белым силиконом. Все образцы испытывались сразу на два типа горения: небольшой кольцевой шашки и торцевой шашки. Чертёж испытуемого образца представлен ниже. Достигалось это путём заглубления фитиля на 25÷30мм. Это позволяло более эффективно проследить свойства горения составов при атмосферном давлении. Тем более, что данная схема образцов почти точно копирует процесс горения воспламенителя в двигателе.

Состав совершенно непригоден для воспламенительного, потому что не горит стабильно при атмосферном давлении.

NH4NO3(70%) + ЭДП(30%) В начало

Давно я уже хотел сделать какой-нибудь ТТ состав на нитрате аммония. Ещё со школы помню, что НА с ЭДП хорошо горел, но сам, ни разу не пробовал экспериментировать с этим составом. Вот это свершилось. Использовал нитрат аммония в виде удобрения марки В, тщательно измельчённый в кофемолке. При смешении со смолой ЭДП и отвердителем появился сильный запах аммиака. Нитрат аммония давал заметную реакцию с отвердителем. В итоге состав затвердел, но не набрал должной прочности, был похож на состав с силиконовой связкой. Объёмное соотношение смола ЭДП и отвердитель было 9:1.

Изначально, пока шло горение в кольцевой части шашки, появилось яркое и бесшумное пламя. Но скорее всего это было догорание в атмосфере избытка горючки в выхлопе. Когда горение дошло до торцевой шашки, пламя исчезло. Горение стало тлеющим, и появился густой дым. Возможно этот состав и подошёл бы как воспламенительный, но уж больно слабоват поток. Зато никакого жидкого шлака нет. В болванке осталось только немного рыхлого угля. Вполне возможно применение данного состава в качестве долго горящего трассера в торцевой шашке для поиска ракеты в поле после полёта. Скорость горения 0,22мм/с.

NH4NO3(80%) + ЭДП(20%) В начало

Ещё один состав на нитрате аммония (удобрение – аммиачная селитра марки В) и ЭДП, но с изменённым соотношением компонентов. Было взято меньше горючего в надежде, на то, что это позволит более полно сжигать уголь, и повысит температуру пламени. В процессе смешения всё было так же, как и с предыдущим составом, только смешивать было труднее.

В процессе горения на этот раз пламя исчезло почти сразу. В основном эти составы тлеют, а не горят. Но дыма и угля в остатке было уже меньше.

Как и предполагалось, свечение пламени возникло из-за догорания избытка горючих газов в струе, которые сразу же вспыхнули в кислороде воздуха после поднесения спички.

Температура газов явно слишком мала. Без увеличения скорости горения этого состава, что возможно под давлением, применять его как воспламенительный не получиться. Интересно, температура в струе настолько мала, что не может запустить реакцию догорания горючки в атмосфере.

Рисунок 1 - Шашка NH4NO3(80%) + ЭДП(20%) после запрессовки

Шашка с НА
Рисунок 2 - Кадр
Кадр
Рисунок 3 - Кадр
Кадр

NH4NO3(75%) + Силикон(25%) В начало

Довольно много обещающий состав. Использовал прозрачный нейтральный силикон и НА (удобрение – аммиачная селитра марки В). Состав гореть напрочь отказался. Но в отдельном количестве с огневой поддержкой всё же сгорел. Заметно было образование белого яркого пламени и шлака, повторяющего исходную форму. Шлак при надавливании легко крошился. Такому составу самому нужен хороший воспламенитель и хотя бы небольшое давление на 10÷20% больше атмосферного для устойчивого горения.

NaNO3(75%) + Силикон(25%) В начало

Нитрат натрия с прозрачным нейтральным силиконом. НА (удобрение – аммиачная селитра марки В). Всё, как и в предыдущем составе.

Тот же результат – отказ горения. Удалось сжечь только при огневом сопровождении. Горит с ослепительно ярким белым пламенем неустойчиво. Низкая теплопроводность силикона сильно затрудняет теплопередачу вглубь состава. Что разогрелось, быстро сгорает, затухая, и потом снова приходится разогревать. Определённо нужно давление, хотя бы 1атм. Первый образец этого состава 20х10х10, который я пытался просто сжечь, постоянно затухал. Горел он только вблизи источника огня. В перерывах между горениями, держа его в руках, я совершенно чётко ощущал, как плавкие составы размягчаются в глубь. Связка на силиконе на самой поверхности была очень мягкой и горячей. Поскольку составы с силиконом на нитрате натрия и нитрате аммония не дали нужного результата, испытывать их в смеси друг с другом не было необходимости. Поэтому далее я перешёл к испытанию смеси этих двух окислителей с ЭДП.

NH4NO3(35%) + NaNO3(35%) + ЭДП(30%) В начало

Теперь пришла очередь испытать состав смеси равных масс нитрата аммония и нитрата натрия с связкой из ЭДП. Исходная смесь была приготовлена на сухую измельчением в кофемолке до тонкого порошка. НА (удобрение – аммиачная селитра марки В). Объёмное соотношение смола ЭДП и отвердитель было 9:1. Очень неплохой состав, горящий с ярким жёлтым пламенем. Всё же образовывались капли шлака, которые периодически импульсивно сгорали. В остатке образовалось довольно много угля. Это может сильно затруднить воспламенение канала в кольцевой шашке. В итоге осталось довольно много шлака в виде смеси угля и солей. Результат не очень. Попробуем уменьшить содержание нитрата натрия в окислителе.

Рисунок 4 - Остаток угольного шлака
Остаток угольного шлака

NH4NO3(50%) + NaNO3(20%) + ЭДП(25%) + S(5%) В начало

Данный состав был придуман из расчёта, уменьшить содержание нитрата натрия в смеси и дополнительно понизить его шлакообразование с помощью серы. НА (удобрение – аммиачная селитра марки В). Объёмное соотношение смола ЭДП и отвердитель было 9:1.

Излишки этого состава я уже просто сжёг. Поверхность покрыта слоем клея TITAN, для предотвращения намокания состава сверху и снизу.

Как обычно для серных составов горело с ярким пламенем.

Хорошо видно рыхление горящей поверхности углём, который догорает на значительном расстоянии от неё, что позволяет лучше дожигать жидкую фазу и препятствует образованию жидких капель шлака вблизи состава. В итоге осталось лишь немного угля в остатке и пара небольших капель шлака.

Этот состав мне определённо нравится не только как воспламенительный бесшлаковый, но и как возможный топливный.

Рисунок 5 - Готовый состав, изолированный от влаги клеем TITAN
Готовый состав, изолированный от влаги клеем TITAN
Излишки этого состава я уже просто сжёг. Поверхность покрыта слоем клея TITAN, для предотвращения намокания состава сверху и снизу. Клей прозрачный, даёт только отблески.
Рисунок 6 - Кадр 1
Кадр 1
Как обычно для серных составов горело с ярким пламенем.
Рисунок 7 - Кадр 2
Кадр 2
Хорошо видно рыхление горящей поверхности углём, который догорает на значительном расстоянии от неё, что позволяет лучше дожигать жидкую фазу и препятствует образованию жидких капель шлака вблизи состава. В итоге осталось лишь немного угля в остатке и пара небольших капель шлака.
Рисунок 8 - Небольшой угольный остаток шлака
Небольшой угольный остаток шлака
Этот состав мне определённо нравится не только как воспламенительный бесшлаковый, но и как возможный топливный.

NaNO3(70%) + Сорбит(30%) В начало

Типичный состав натриевой карамели с высоким содержанием окислителя. Отличное показательное горение. Хорошо видно как идёт формирование капель жидкого шлака, которые растут как грибы из газовой струи. Полное отсутствие свечения газа в выхлопе наводит на мысль об очень низкой температуре горения этого состава.

Рисунок 9 - Кадр 1
Кадр 1
Не, ну прям фабрика по производству кальцинированной соды ;)
Рисунок 10 - Кадр 2
Кадр 2
На ощупь, шлак был мыльный, как обычная кальцинированная сода, да и по виду тоже.
Рисунок 11 - Кадр 3
Кадр 3
Тут отлично видно, что происходит в гранулярно-диффузной зоне горения ТТ. Видно, что интенсивней растут капли шлака с краю на обгорающем угле корпуса, который только сильнее способствует образованию карбоната натрия. Сама горящая поверхность состава чёрная и довольно ровная. Всё так и есть, прежде идёт испарение и разложение твёрдой фазы, а затем продукты разложения сгорают вблизи неё.

Неудивительно, почему у карамели такой низкий УИ.

NaNO3(58%) + NH4NO3(1%) + Сорбит(30%) + S(11%) В начало

Ну и конечно же натриевая карамель с серой. Без неё все эти испытания были бы попросту необъективны, ведь именно этот состав до селе использовался мной, как основной воспламенительный.

Поток довольно чистый. Больших капель шлака нет. На видео можно разглядеть в глубине канала на поверхности множество небольших капель шлака.

Рисунок 12 - Кадр 1
Кадр 1
Догорание состава. Даже под конец горения шашки не наблюдается большого скопления шлака, несмотря на довольно низкую его скорость горения.
Рисунок 13 - Кадр 2
Кадр 2
«Роза» из огня и дыма ))) При горении этого состава образуется красивое яркое жёлто-оранжевое пламя, которое придаёт зрелищности при его использовании в качестве топлива для двигателей, и также способствует большей заметности ракеты при её полёте на большие высоты.
Рисунок 14 - Шлак крупным планом
Шлак крупным планом
Поскольку этот состав аналог составу NaNO3(70%) + Сорбит(30%), то совершенно очевидна разница, насколько сильно сера уменьшает шлакообразование даже при низких скоростях горения. Большая часть конденсата уходит в дым, но остаток всё, же есть.
Рисунок 15 - Шлак красного цвета
Шлак красного цвета
Может показаться, что красное в остатке шлака – это сера. Ну, примерно так и есть, только проведённый мной количественный химический анализ шлака из остатков, взятых ещё из двигателей, показал, что сера лишь присутствует в свободном состоянии в количестве пренебрежимо малом. Её удалось лишь идентифицировать в осадке угля при нагревании после полного растворения этого шлака в воде. Сера, испарившись из угольного осадка, сконденсировалась легким налётом на холодном стекле. В шлаке, после сильного нагрева при горении, она претерпевает аллотропные превращения, что придаёт шлаку красный цвет, который через некоторое время полностью исчезает, становясь белым.
Рисунок 16 - Кадр 3
Кадр 3
Небольшое количество шлака остаётся возле состава. А ведь именно эта дрянь выжигает мне канал хаотичным образом в двигателях ещё до того, как его канал успеет полностью вспыхнуть.

NaNO3(60%) + Сорбит(40%) В начало

Это был один из первых моих составов на углеводных связующих. Состав горит довольно быстро. Свечение газа в выхлопе практически нет, только в хвосте из-за турбулентности.

Тем не менее, по качеству горения он сопоставим с составом с серой, в котором, однако значительно больше содержание окислителя.

Рисунок 17 - Кадр 1
Кадр 1
Прозрачность газа, вызванная видимо не очень высокой его температурой, позволяет лучше разглядеть, что твориться внутри на поверхности. Размер капель шлака всё равно значителен, но не до такой степени, как у такого, же состава с 30% сорбита. Рядом шлак не накапливается, так как в основном его сдувает более мощным газовым потоком, обусловленным большей скоростью горения этого состава по сравнению с 30% сорбитным.

NaNO3 + Газетная бумага В начало

Наиболее простой и доступный состав для воспламенителей - это обыкновенная селитра. Изготовленная даже на нитрате натрия, она легко воспламеняется и достаточно быстро сгорает, почти не образуя шлака. Недостатком её являются низкая температура горения и маленькая плотность. Тем не менее, она очень надёжно работает в качестве воспламенительной шашки в моих двигателях, так как связанная структура бумаги не приводит к распылению порошка внутри, как у порохоподобных составов. Контролировать степень связанности нет необходимости, поэтому после серии неудачных попыток применения пороха в качестве воспламенительного состава я остановился на ней.

Рисунок 18 - Фото шлака после сгорания торцевой шашки селитры
Фото шлака после сгорания торцевой шашки селитры
Всё же небольшое количество жидкого шлака скапливается у самого выхода из шашки, но, вероятно, это наблюдается в больших шашках ярче, чем в маленьких, так как в маленьких всё интенсивней уносится газовым потоком.
Рисунок 19 - Фото шлака после сгорания канальной шашки селитры
Фото шлака после сгорания канальной шашки селитры
Горение по торцу и каналу селитрового блока мало чем отличается друг от друга при поджигании у торца. Канал не сильно помогает ускорению горения шашки в данном случае, хотя иногда наблюдались ситуации, когда горение проходило быстро в канал, а потом уже изнутри прогорало до стенок в несколько раз быстрей...

Табличные данные испытаний В начало

Таблица 1 - Результаты испытаний составов.
Состав Длина, мм Время, с Скорость горения мм/с
NaNO3 + Газета (по торцу) 80 35 2,3
NaNO3 + Газета (с каналом) 80 33 2,4
NaNO3(70%) + Сорбит(30%) 53,5 136 0,39
NaNO3(60%) + Сорбит(30%) + Al(10%) 73 97 0,75
NaNO3(60%) + Сорбит(40%) 53 112 0,47
NaNO3(58%) + NH4NO3(1%) + Сорбит(30%) + S(11%) 53,5 192 0,35
NH4NO3(35%) + NaNO3(35%) + ЭДП(30%) 52 172 0,302
NH4NO3(50%) + NaNO3(20%) + ЭДП(25%) + S(5%) 51 216 0,235
NaNO3(70%) + ЭДП(30%) 54 212 0,255
NH4NO3(70%) + ЭДП(30%) 55 248 0,22
NH4NO3(80%) + ЭДП(20%) 56 270 0,21

График 1 - Скорость горения испытанных составов.

Скорость горения испытанных составов

Из графика хорошо видно, что на скорость горения ТТ в наибольшей степени влияет теплопроводность составляющих его компонентов. Эпоксидные связующие снижают скорость горения в 1,5 раза по сравнению с сорбитом. Схожим действием обладает и сера. Алюминий вообще почти вдвое повышает скорость горения, так как его теплопроводность во много раз больше, чем ЭДП или серы. Составы на силиконовой связке вообще не загорелись стабильно. Силиконовая связка обладает ещё меньшей теплопроводностью, чем ЭДП, и ожидаемая скорость горения составов на её основе будет в пределах 0,1÷0,2мм/с. Но для получения устойчивого горения придётся немного изменить геометрию испытуемых шашек и их воспламенение. Силиконовые составы будут испытаны вместе с составами на нитрате кальция.

Таблица 2 - Сравнение содержания окислителя в исследованных составах.
Состав Содержание окислителя, % Содержание горючего, % Присадки, %
NaNO3(60%) + Сорбит(30%) + Al(10%) 60 40 10
NaNO3(70%) + Сорбит(30%) 70 30 0
NaNO3(70%) + ЭДП(30%) 70 30 0
NaNO3(60%) + Сорбит(40%) 60 40 0
NaNO3(58%) + 4NO3(1%) + Сорбит(30%) + S(11%) 70 30 11
4NO3(35%) + NaNO3(35%) + ЭДП(30%) 70 30 0
NaNO3 + Газета (с каналом) 50 50 0
NaNO3 + Газета (по торцу) 50 50 0
4NO3(50%) + NaNO3(20%) + ЭДП(25%) + S(5%) 75 25 5
4NO3(70%) + ЭДП(30%) 70 30 0
4NO3(80%) + ЭДП(20%) 80 20 0

График 2 - Сравнение содержания окислителя в исследованных составах.

Содержание окислителя в испытанных образцах
SashaMaks © 28.09.2009
Любительские высотно-скоростные ракеты 1996-2016