Главная | Двигатели => МА-40 => Топлива
Натриевая карамель с добавкой серы 11%
Введение Первые пробы на горение Целесообразность применения серы в натриевой карамели Приготовление
Нитрат натрия NaNO3 Сорбит CH2OH-(CHOH)4-CH2OH Сера ромбическая S Явление деформации поверхности натриевой карамели
Линейная скорость горения в атмосфере Исследование конденсата Устойчивость горения

Введение В начало

Таблица 1 - Состав натриевой карамели с серой.
Топливо для РДТТ
Окислитель NaNO3 (Нитрат натрия) - 58%
Окислитель примесь NH4NO3 (Нитрат аммония) - 1%
Горючее связующее C6H14O6 (Сорбит) - 30%
Добавка S (Сера) - 11%
Плотность, г/см3 1,85
Скорость горения при атмосферном давлении, мм/с 0,35

Очень интересное топливо, имеющее яркое пламя и выделяющее много дыма при горении. В отличие от обычных карамельных составов это топливо даёт яркий факел в двигателе под давлением.

Натриевая карамель с серой

Впервые добавить серу в натриевую карамель я решил в 2002 году, но тогда время уже ушло, и я увлёкся компьютерами на три года. Только в 2005 году это было сделано в двигателях серии Р-20 при переходе от конусно-торцевой схемы горения на канально-осевую. Идея добавления серы в натриевую карамель аналогична добавлению её в чёрный порох. Это должно повысить полноту сгорания органики в селитре, за счёт полной отдачи всего кислорода, содержащегося в нитратах, а свободный металл связывается в сульфид. Так же существует общее правило, что сера в любом количестве в топливах снижает их удельный импульс. Но, что странно, применительно для случая с карамельным топливом похоже никто так и не доказал этого на практике. По расчётам разница есть в меньшую сторону, но не намного, всё же молекулы сульфидов легче молекул карбонатов – похоже, что это спасает ситуацию. Зато есть очевидная разница в яркости пламени и его дымлении в большую сторону, что в целом должно улучшить наблюдение и зрелищность полёта ракеты.

Первые пробы на горение В начало

Первые составы в торцевых шашках были сожжены в 2002 году, и в результате удалось получить стабильно горящий состав с равномерной структурой. Сера не выпадала в виде огромных кристаллов и равномерно распределялась по всему объёму топлива в виде маленьких кристалликов. Тогда и сейчас использовался простой метод смешения расплавленной серы с остальными компонентами топлива, в результате чего она образовывала эмульсию с расплавом натриевой карамели.

Потом это топливо было заправлено в двигатели Р-20-6, Р-20-7 и Р-20-8. Но у всех отказала система воспламенения. Только у Р-20-8 удалось наблюдать первое горение этого топлива в кольцевой шашке при атмосферном давлении без сопла. Впечатлял огромный факел пламени. Захотелось воспроизвести это и заодно протестировать воспламеняемость этого топлива от обычной газетной бумаги, пропитанной селитрой (см. видео слева).

Целесообразность применения серы в натриевой карамели В начало

Содержание сорбита было взято стехиометрически, исходя из условия полного его сгорания во всём содержащемся в нитрате натрия кислороде, а сера взята в количестве, необходимом для полного связывания натрия в сульфид натрия, по упрощенной реакции:

26NaNO3 + 6C6H14O6 + 13S → 13Na2S + 36CO2↑ + 42H2O↑ + 13N2

mобщ = m(NaNO3) + m(C6H14O6) + m(S) = 26 * M(NaNO3) + 6 * M(C6H14O6) + 13 * M(S) = 26 * 84,9947 + 6 * 182,17488 + 13 * 32,064 = 3719,74348г;

%(NaNO3) = 100% * m(NaNO3) / mобщ = 100 * 2209,8622 / 3719,74348 = 59,41%;

%(C6H14O6) = 100% * m(C6H14O6) / mобщ = 100 * 1093,04928 / 3719,74348 = 29,39%;

%(S) = 100% * m(S) / mобщ = 100 * 416,832 / 3719,74348 = 11,2%;

Средняя расчётная плотность:

ρ(26NaNO3 * 6C6H14O6 * 13S) = 100% / (%(NaNO3) / ρ(NaNO3) + %(C6H14O6) / ρ(C6H14O6) + %(S) / ρ(S)) = 100 / (59 / 2,26 + 30 / 1,49 + 11 / 2,07) = 1,94г/см3;

Предположительно, что при горении данного состава при температуре выше 300°С и около 600°С, в конденсированной фазе начинается активное разложение нитрата натрия и окисление серы освободившимся кислородом до их оксидов.

NaNO3 → NaNO2 + [O];

2NaNO3 → Na2O + 5[O] + N2;

S + 2[O] → SO2;

S + 3[O] → SO3;

Это, в свою очередь, сразу же даёт образование сульфатных соединений натрия, которые затем при более высокой температуре >1000°С окисляют горючие продукты разложения, восстанавливаясь до сульфида натрия.

Na2O + SO2 → Na2SO3;

Na2O + SO3 → Na2SO4;

2Na2SO3 + 3C → 2Na2S + 3CO2;

Na2SO4 + 2C → Na2S + 2CO2;

Na2SO3 + 3CO → Na2S + 3CO2;

Na2SO4 + 4CO → Na2S + 4CO2;

Na2SO3 + 3H2 → Na2S + 3H2O;

Na2SO4 + 4H2 → Na2S + 4H2O;

Сам сульфит натрия термически неустойчив и разлагается диспропорционируя по уравнению:

4Na2SO3 → 3Na2SO4 + Na2S.

В менее благоприятных случаях, в промышленности, когда сера сжигается в смеси с кислородосодержащими солями натрия и углём, выход сульфида натрия колеблется от 70% до 80%. Наиболее распространён промышленный метод получения сульфида натрия из природного сульфата натрия и угля. В лабораторных условиях из чистого сульфата натрия при сжигании в нём угля, выход сульфида натрия составляет 95%. Ещё более чистый сульфид натрия можно получить, сжигая чистую серу в смеси с едким натром и углём. Нитрат натрия в лаборатории не используют, так как весь сульфид натрия уйдёт в дым, из-за слишком интенсивного протекания химической реакции [1].

Вообще вводить серу в твёрдые ракетные топлива считается невыгодно из-за того, что сама сера S и её основные продукты сгорания, такие как четырёхвалентный оксид серы SO2, имеют высокий молекулярный вес, что приведёт к повышению общей средней молекулярной массе продуктов сгорания и к снижению удельного импульса топливного состава. Но в случае применения серы в смеси с нитратами калия или натрия получается совсем другой продукт сгорания серы – сульфиды калия или натрия соответственно. При этом сера восстанавливается до степени окисления -2, а не окисляется. В ракетолюбительском мире хорошо известная программа PropeLant показывает, что введение серы в натриевую карамель в количестве 11% не приводит к увеличению удельного импульса, а наоборот снижает его.

График 1 - Сравнение удельного импульса
натриевой карамели с добавкой серы и без неё.
Удельный импульс натриевой карамели

Из графика хорошо видно, что наиболее оптимальное содержание сорбита в натриевой карамели составляет 30% для получения наибольшего удельного импульса. Для натриевой карамели с серой это так же 30%. Сера в натриевой карамели берётся в относительном количестве к нитрату натрия в эквивалентном соотношении. Детального практического исследования натриевой карамели пока нет. Некоторую информацию о горении натриевой карамели можно взять здесь и здесь.

Пока есть следующие противоречивые данные:

Таблица 2 - Давление 1атм по расчёту в PropeLant:
натриевая карамель с серой без серы
конденсат, % 34,847 39,236
газ, моль/100г 2,391 2,24
температура, °С 1063 1313
скорость горения, мм/c 0,35 0,39

Здесь хорошо видно, что образование конденсированного шлака без серы меньше, но при горении в атмосферном давлении на практике совсем иная картина. Причём, шлака у обычной натриевой карамели так много, что не помогает его сдувать даже более большой напор газовой струи, так как горит оно быстрее, а объём образуемых при сгорании газов такой же, если верить программе.

Таблица 3 - Давление 20атм по расчёту в PropeLant:
натриевая карамель с серой без серы
конденсат, % 26,923 33,35
газ, моль/100г 2,439 2,345
температура, °С 1508 1746
температура, °С 1063 1313
удельный импульс, м/с 1364,57 1430,3

Практических сравнительных испытаний этих двух составов под давлением в двигателе пока не проводилось, но сравнивая температуры их горения, получается, что ярче гореть должно топливо без серы, однако на практике всё наоборот. Ошибается ли программа или нет, будет видно позже, после практических испытаний. Пока есть только одно в чём теоретический расчёт может сильно расходиться с реальностью – не учёт направления течения химических реакций горения и разложения ТРТ.

Приготовление ракетного топлива NNSS В начало

Изначально был риск, что приготовление этого состава будет невозможным из-за плавкости серы при той же температуре, что и сорбит. Нерастворимость серы в этом случае могла привести к выпадению огромных кристаллов серы и сильно неоднородному составу. Но на практике всё оказалось вполне реальным. Кристаллы серы были маленькие, и хоть их средний размер 0,25мм, горение данного топлива стабильно даже в небольших торцевых образцах, на которых были проведены первые испытания на линейную скорость горения при атмосферном давлении. Воспроизводимость результатов по замерам на атмосферную скорость горения для этого состава была превосходная.

Первый способ приготовления топлива.

Взвешенные сорбит и сера разогреваются до температуры, когда сера уже начинает становиться вязкой резиноподобной массой. Потом источник тепла отключается и вводиться порошкообразный тщательно высушенный нитрат натрия. Всё вместе перемешивается до тех пор, пока вся сера не затвердеет. Использование низкой начальной температуры горючей смеси может привести к её падению ниже температуры плавления серы при введении нитрата натрия, тогда сера выпадет большими кусками быстрей, чем удастся перемешать всю смесь. После топливо разливается в блины на листы бумаги из ватмана, где оно полностью затвердевает примерно за две недели. В случае хорошо высушенных компонентов перед их смешением, никакого коробления поверхности топлива вообще не будет. Продолжительность твердения этого топлива пропорциональна перегреву сорбита выше его температуры плавления, и колеблется в пределах от 12часов (<120°С) до 2-х недель (>200°С). Все процессы разогрева этого топлива выше температуры плавления серы приводят к возникновению характерного запаха серы, который будет становиться сильнее по мере роста температуры. Поэтому необходимо делать это в хорошо проветриваемом помещении или под вытяжкой, не применяя сильного разогрева.

Второй способ приготовления топлива.

Взвешенный сорбит плавится и нагревается далее до температуры примерно 200°С, потом нагрев прекращается и в его расплав вводится смесь предварительно измельчённых нитрата натрия и серы. После всё сразу перемешивается, разливается в лепёшки и охлаждается до востребования. В процессе нагревания сорбита до 200°С, его расплав будет иметь молочно-белый цвет из-за сильного насыщения всего объёма пузырьками вскипевшей воды, которая присутствовала в нём изначально. До того, как сорбит начнёт закипать, вся эта вода полностью удаляется, а расплав становится прозрачным, и в этот момент можно отключить источник нагрева и смешать компоненты.

Рисунок 2 - Расконсервирование нитрата натрия
Расконсервирование нитрата натрия

После приготовления нитрата натрия, я обычно провожу его экспресс сушку до увлажнённого состояния, а потом сваливаю его в пластиковые ёмкости. Чаще всего это обычные пластиковые бутылки, очень хорошо подходящие на роль одноразовой тары. В неё нитрат натрия может храниться у меня годами до момента востребования. Даже в этом, казалось бы, элементарном технологическом аспекте ничего сложного нет, но были случаи, когда происходило слёживание нитрата натрия, которое заканчивалось его эмиграцией из ёмкости. Это наблюдалось в алюминиевой таре, где быстро появлялись солевые наросты, по которым происходила утечка раствора сквозь кристаллы. Раствор образуется в небольших количествах при длительном хранении во влажном воздухе, но этого достаточно было, чтобы потом, попав на открытые металлические детали, он смог их полностью разрушить коррозией. В пластиковой таре пока такого не наблюдалось.

Рисунок 3 - Измельчённая натриевая селитра
Измельчённая натриевая селитра

После расконсервации, нитрат натрия сушится на электрической плитке при температуре 100ºС-150ºС и измельчается в кофемолке. На глаз средний размер частиц после измельчения составляет 0,25мм и меньше. Процесс измельчения я делаю сразу же после сушки или даже во время сушки. Свежая порция просушенного нитрата натрия, ещё не остывшая подаётся в кофемолку, где 10с измельчается, а потом сбрасывается в металлическое сито. Оно имеет мелкую решётку и отсеивает уже измельчённые частицы, контролируя однородность всей массы. То, что не просеялось, уходит на повторное измельчение, но уже с добавкой новой свежей порции нитрата натрия. Это позволяет повысить качество измельчения и ускорить сам процесс, так как не измельчённые комки могут очень долго летать в кофемолке, прежде чем их разобьют ножи.

Рисунок 4 - Смесь нитрата натрия и серы перед смешением с сорбитом
Смесь нитрата натрия и серы перед смешением с сорбитом

Свежеприготовленный порошок натриевой селитры долго не лежит, так как быстро начнёт слёживаться и превратится в булыжник, поэтому операции сушки и измельчения делаются сразу перед смешением всех компонентов топлива. После идёт смешение нитрата натрия с серой, так же измельчённой. Таким образом, получается окислительная смесь серы с нитратом.

На практике я измельчаю серу вместе с нитратом натрия, что является не безопасным, так как сера проявляет ещё и горючие свойства и может вспыхнуть. Поэтому время их совместного помола ограничено, чтобы не перегревались ножи, а небольшой порции серы соответствует 3÷4 раза большая порция селитры.

Совместный помол нитрата натрия и серы облегчает измельчение последней, так как частицы нитрата натрия действуют как дополнительный абразив для кусков серы и не дают разлетаться серной пыли по комнате.

Данный способ является опасным, и нет гарантии, что не произойдёт воспламенения смеси, поэтому не рекомендуется к применению на скорую руку или новичкам в этом деле!

Рисунок 5 - Только что приготовленное топливо NNSS
Только что приготовленное топливо NNSS

После смешения всех компонентов топлива готовый состав разливается в лепёшки на листы бумаги из ватмана. После этого они остывают до комнатной и тёплой температуры и помещаются в два слоя пакетов, чтобы предупредить увлажнение топлива, и убираются в коробки на застывание и длительное хранение. На стадии твердения сорбита их лучше размещать на плоских поверхностях, чтобы не деформировать нижнюю поверхность. Это позволяет потом легко разогревать их на различных нагревательных приборах без образования локальных перегревов. Бумага же выступает в роли термического индикатора и не даёт перегреваться топливу выше 140ºС.

Рисунок 6 - Контрольное взвешивание
Контрольное взвешивание

Так же для ведения учёта расхода массы материалов проводится контрольное взвешивание, а значения регистрируются в технологическом файле, что необходимо для последующего выбора количеств под заправку в двигатели.

Рисунок 7 - Кристаллы серы внутри натриевой карамели
Кристаллы серы внутри натриевой карамели

Далее несколько фото, демонстрирующих равномерность и однородность распределения кристаллов серы в натриевой карамели. Опасность образования сильно негомогенного состава натриевой карамели с серой сильно преувеличена. На самом деле взаимному слипанию частиц серы сильно препятствует вязкое топливо, которого в 9 раз больше по объёму, чем серы. Структура топлива получилась достаточно однородной, частицы серы равномерно распределены по всей массе. Их размер составляет доли миллиметров.

Рисунок 8 - Натриевая карамель, полученная по первому способу (общий вид)
Натриевая карамель - первый способ

Как видно, топливо, полученное по первому способу имеет несколько большие по размеру кристаллы серы и их распределение по объёму топливной массы не такое равномерное, как для топлива, полученного по второму способу.

Рисунок 9 - Натриевая карамель, полученная по первому способу (размер кристаллов серы в центре)
Натриевая карамель - первый способ - вид сверху

Рисунок 10 - Натриевая карамель, полученная по первому способу (размер кристаллов серы с краю)
Натриевая карамель - первый способ - вид сбоку

Нитрат натрия NaNO3 В начало

Для своих топлив я использую самодельный нитрат натрия. Его способы получения описаны здесь. Найти в свободной продаже его, как и нитрат калия, не получилось до сих пор. По сути, нитрат натрия полный аналог нитрату калия, но есть и ряд преимущественных отличий. Нитрат натрия значительно дешевле нитрата калия, что позволяет делать более дешёвые двигатели или за те же деньги увеличивать их размер. В среднем по УИ топлива нитрат натрия предпочтительней, так как даёт атомы натрия, которые являются более лёгкими молекулами, чем атомы калия в своих соединениях, а значит и производит более летучие продукты сгорания. Так же это приводит к относительно большему содержанию кислорода в молекуле нитрата, и, следовательно, более высокой энергии сгорания для топлив. Единственный возможный минус, который может проявиться у него, - это высокий показатель в законе горения у топлив на его основе. Большинство составов на нитрате натрия горят с низкой скорость при атмосферном давлении и быстро её увеличивают по мере роста давления в камере сгорания. Это предъявляет более жёсткие требования к качеству изготовления сопла и выбору для него материалов, но не делает его применение не возможным.

Рисунок 11 - Нитрат натрия в пластиковой бутылке
Нитрат натрия в пластиковой бутылке

НАТРИЯ НИТРАТ (натриевая селитра, чилийская селитра) NaNO3, бесцв. кристаллы; до 276 °С устойчива a-модификация гексагональной сингонии (а = 0,50696 нм, b= 1,6829 нм, пространственная группа Р3с), при 276-306,6 °С-разупорядоченная Р-модификация. Т. пл. 306,6 °С; плотн. 2,26 г/см3; C0p 93,0 Дж/(моль.К); DH0пл 15,09 кДж/моль (579,6 К), DH0возг 184кДж/моль (0 К), DH0обр -467,7 кДж/моль; S0298 116,4 ДжДмоль.К). Выше 380 °С начинает разлагаться до NaNO2 и О2, конечные продукты разложения-Na2O, NO2, NO, О2, в небольшом количестве-N2. Растворимость (г в 100 г): в воде-72,7 (0°С), 87,6 (20°С), 124,7 (60°С), 176 (100°С); при 25 °С в этаноле-0,036, метаноле-0,41, пиридине-0,35; DH0 растворения для бесконечно разб. водного р-ра 20,59 кДж/моль; т. кип. насыщ. водного р-ра 119°С.

В природе Н. н. встречается в виде минерала чилийской селитры (нитронатрит).

Получают Н. н. поглощением нитрозных газов (смесь NO и NO2) р-ром Na2CO3 или NaOH либо обменным взаимод. Ca(NO3)2 с Na2SO4, а также из прир. залежей методами противоточной кристаллизации и выщелачивания. Применяют как удобрение, в производстве солей Na и нитритов, как компонент закалочных ванн в металлообрабатывающей промышленности, теплоаккумулирующих составов, окислитель в ВВ, в ракетных топливах, пиротехн. составах, в производстве стекла, как компонент жидких солевых хладагентов (селитряной смеси), консервант пищ. продуктов.

Взято из: Химическая энциклопедия - Натрия нитрат

Рисунок 12 - Нитрат натрия - бесцветные кристаллы
Нитрат натрия - бесцветные кристаллы

Рисунок 13 - Нитрат натрия - бесцветные кристаллы (вид сверху)
Нитрат натрия - бесцветные кристаллы (вид сверху)

Сорбит CH2OH-(CHOH)4-CH2OH В начало

Обыкновенный пищевой сорбит из аптеки. Впервые попался мне в руки ещё в далёком детстве и тогда был лишь одним из испытуемых горючих для порохов. Только потом он стал основой связки для моих топлив в 2000 году. А в 2007 году, когда удалось установить связь с внешним миром через интернет, оказалось, что это уже давным-давно излюбленный компонент любительских топлив, называемых карамельными.

Рисунок 14 - Пищевой сорбит, как заменитель сахара
Пищевой сорбит, как заменитель сахара

Внешне выглядит как стиральный порошок - белые хлопьевидные крошки, иногда бывают в виде слипшихся комочков. Представляет собой шестиатомный спирт, получаемый восстановлением глюкозы или фруктозы водородом на никелевом катализаторе. Температура плавления 110ºС. Остывает, постепенно переходя из вязкого состояния в твёрдое.

Рисунок 15 - Сорбит
Сорбит

Сера ромбическая S В начало

Пожалуй, ключевой компонент топлива – сера, она даёт яркое пламя при горении и повышает дымность натриевой карамели. Это делает запуск ракет более зрелищным, и позволяет лучше отслеживать их траекторию полёта. Сера в натриевой карамели значительно снижает образование жидкого конденсата в продуктах сгорания и снижает скорость горения, что даёт возможность ещё продлить время работы двигателя.

Рисунок 16 - Кристаллы ромбической серы
Кристаллы ромбической серы

При обычных условиях сера образует хрупкие кристаллы желтого цвета, плавящиеся при 112,8ºС; плотность её 2,07г/см3. Она нерастворима в воде, но довольно хорошо растворяется в сероуглероде, бензоле и некоторых других жидкостях. При испарении этих жидкостей сера выделяется из раствора в виде прозрачных жёлтых кристаллов ромбической системы, имеющих форму октаэдров, у которых обычно часть углов или рёбер как бы срезана. Эта модификация серы называется ромбической. [1]

Рисунок 17 - Кристаллы моноклинной серы
Кристаллы моноклинной серы

Иной формы кристаллы получаются, если медленно охлаждать расплавленную серу и, когда она частично затвердеет, слить ещё не успевшую застыть, жидкость. При этих условиях стенки сосуда оказываются покрытыми изнутри длинными тёмно-жёлтыми игольчатыми кристаллами моноклинной системы. Эта модификация серы называется моноклинной. Она имеет плотность 1,96г/см3, плавится при 119,3ºС и устойчива только при температуре выше 96ºС. При более низкой температуре кристаллы моноклинной серы светлеют, превращаясь в октаэдры ромбической серы. [1]

Явление деформации поверхности натриевой карамели В начало

При использовании натриевой карамели в своих двигателях, я обнаружил, что происходит довольно сильное коробление поверхности топливных шашек. Это чаще всего наблюдается на торцевых поверхностях, при этом нарушается структура шашки в поверхностном слое и её форма, что мешает последующей сборке двигателя.

Рисунок 18 - Деформированная торцевая поверхность шашки
Деформированная торцевая поверхность шашки

По ходу заправки сегментов двигателей Р-40 была установлена причина сильного коробления поверхности натрий-сорбитной карамели – высокая исходная влажность состава. Чем она выше, тем сильней будет коробление поверхности топлива. При этом если влажность была очень высокой, то коробление будет носить ещё и объёмный характер, сильно деформируя весь заряд. Гигроскопичный нитрат натрия легко впитывает пары воды из влажного воздуха, быстро насыщая поверхностный слой топлива влагой даже в разогретом состоянии. Но уже в атмосфере с средней и низкой влажностью, также легко испаряет влагу, при этом идёт беспорядочный рост кристаллов нитрата натрия и сорбита на поверхности, вызывающий её деформирование.

Рисунок 19 - Исправленная поверхность торцев топливных шашек с помощью разгрева её под 100Вт лампочкой
Исправленная поверхность торцев топливных шашек с помощью разгрева её под 100Вт лампочкой

Решение данной проблемы очевидно – недопущение увлажнения топлива:

  1. Использование смешения компонентов топлива через расплав.
  2. Поддержание низкой влажности атмосферы при хранении и заправке.
  3. В случае низкой степени увлажнения поверхности использовать покрытие из бумаги сразу после заправки на поверхность ещё расплавленного топлива. Таким образом, будет происходить упорядоченный рост кристаллов от поверхности бумажного листа. Но в случае сильного увлажнения поверхности топлива – это не поможет.
  4. В случае только поверхностной деформации открытых мест топлива, возможно применение исправления деформированной поверхности при помощи её повторного разогрева с помощью излучательных источников тепла или фена.
Рисунок 20 - Применение бумажных дисков для предотвращения деформации
Применение бумажных дисков для предотвращения деформации

Здесь были применены покрытия на торцы топливных шашек бумажными дисками из ватмана. Поэтому торцевая поверхность цилиндрических сегментов ровная, в отличие от конических сегментов. Но на сопловом блоке это не помогло, образовались раковины. Видимо дополнительно сказалась усадка топлива, поэтому в таких случаях ещё необходимо повторно расплавить поверхность и выровнять её.

Линейная скорость горения в атмосфере В начало

Изначально по незнанию влияния гравитации на скорость горения ТТ при атмосферном давлении, испытания проводились в горизонтальном положении. Топлива, образующие жидкую фазу при своём горении, накапливают её рядом с собой. Теплопередача от жидкой капли шлака в разы больше, чем от газа, поэтому было решено провести сравнительное испытание на замер линейной скорости горения данного состава в трёх различных положениях испытуемой торцевой шашки: горение вертикально вверх, горизонтально и горение вертикально вниз.

Для случая горения вниз, для того, чтобы не происходило сильного обгорания корпуса шашки снаружи от пламени и, чтобы не нарушить тем самым чистоту эксперимента, было решено использовать для этого случая корпус из силикатного ватмана, дающего тугоплавкое несгораемое углеволокно при обжиге. Металлические корпуса в этом случае не применимы, из-за сильной собственной теплопроводности.

Рисунок 21 - Два корпуса для торцевых шашек. Слева из силикатного ватмана и справа из обычного ватмана.
Два корпуса для торцевых шашек

В испытании были взяты данные из двух тестов. Два корпуса были сделаны дополнительно для измерения вертикальных скоростей горения, а значение для горизонтальной скорости горения было взято из архивных данных испытания этого топлива в 2005 году.

Рисунок 22 - Заправленные образцы.
Заправленные образцы

Испытательные образцы во всех трёх шашках были идентичны по конструкции. Это простой цилиндрический корпус, с одним заглушенным торцом, и заполненный испытуемым составом. Для воспламенения использовался фитиль из бумаги, пропитанной селитрой, и погружённый в исследуемый состав на глубину 6÷8мм.

Рисунок 23 - Угольный корпус после обжига силикатного ватмана.
Угольный корпус после обжига силикатного ватмана

Для случая замера скорости горения с направлением пламени вертикально вниз, пришлось использовать несгораемый материал, чтобы предотвратить нежелательное ускорение сгорания образца по боковым поверхностям, охваченным пламенем. Материал – силикатный ватман, который использовался для этих целей, оправдал своё назначение в качестве несгораемой бронировки.

Таблица 2 - Результаты экспериментов.
Топливо - натриевая карамель с серой
Ориентация Направление Скорость горения, мм/с
Вертикальное Вверх 0,45
Горизонтальное В сторону 0,35
Вертикальное Вниз 0,28

График 2 - Сравнение скоростей горения натриевой карамели с серой.

Скорости горения образцов

Данное исследование оказалось в итоге ещё более значительным при расчёте геометрического профиля горения каналов в двигателях при воспламенении.

Исследование конденсата В начало

Пожалуй, ключевой компонент топлива – сера, она даёт яркое пламя при горении и повышает дымность натриевой карамели. Это делает запуск ракет более зрелищным, и позволяет лучше отслеживать их траекторию полёта. Сера в натриевой карамели значительно снижает образование жидкого конденсата в продуктах сгорания и снижает скорость горения, что даёт возможность ещё продлить время работы двигателя.

Рисунок 24 - Образец шлака из двигателя
Образец шлака из двигателя

Поскольку возникли сомнения в том, что сера горит в этом топливе, то я решил проверить, есть ли она в каплях шлака, которые могут быть пропитаны ей насквозь. Для чего сделал небольшой эксперимент с остатками шлака, взятых прямо из двигателя после испытания.

Рисунок 25 - Образец шлака, погружённый в воду
Образец шлака, погружённый в воду

Для того, чтобы убрать растворимые примеси, шлак был помещён в воду, где он разрушился. Уголь усел на дно, после чего раствор был слит.

Рисунок 26 - Растворённый в воде образец шлака
Растворённый в воде образец шлака

На дне выступил уголь. На вид кроме угля ничего не было более в осадке. Уголь был очень мелкий, похожий на сажу.

Рисунок 27 - Осадок угля после растворения образца шлака
Осадок угля после растворения образца шлака

Рисунок 28 - Капля воды с осадком угля
Капля воды с осадком угля

Всё аккуратно было собрано в каплю для сушки.

Рисунок 29 - Высушенный нерастворимый осадок
Высушенный нерастворимый осадок

После того, как вода испарилась , осталась лишь небольшое покрытие на листе бумаги из угля. Большая часть шлака растворилась в воде, что уже говорит о довольно большом содержании растворимых солей в шлаке.

Рисунок 30 - Размеры осадка в сравнении со спичкой
Размеры осадка в сравнении со спичко

Рисунок 31 - Налёт конденсата серы на цоколе лампы
Налёт конденсата серы на цоколе лампы

После сушки было решено попробовать найти хотя бы следы серы в остатке шлака, для чего шлак был нагрет с помощью излучательного источника тепла – лампочки. В результате чего на ещё холодном цоколе остался налёт от серы. Что было замечено по характерному запаху.

В итоге видно, что шлак данной топливной композиции состоит большей частью из растворимых солей с примесью угля, в котором присутствуют следы серы или её простейших соединений. Никакой основой шлака сера не является и капли не образует при сгорании этого топлива.

Устойчивость горения В начало

Пожалуй, самый болезненный момент для этого топлива. Для начала оценить устойчивость горения этого топлива в свободном виде без корпусов.

Очень интересный эксперимент, на котором хорошо видно, что это топливо не горит устойчиво при атмосферном давлении. Но как же простенькие торцевые шашки, в которых было уже столько замеров на скорость горения сделано и ни одна не заглохла? Это можно объяснить лишь тем, что горение этого топлива даже в простой торцевой шашке без сопла идёт уже под небольшим избыточным давлением, где абсолютное давление лишь немного превосходит атмосферное на несколько процентов. Этого давления уже достаточно для устойчивого горения. Однако, в двигателях Р-40 то и дело наблюдалось аномальное неустойчивое горение, но топливо полностью не затухало, а вспыхивало вновь, пока всё не сгорит.

Рисунок 32 - Бессопловая шашка с воспламенением в глубине канала - раскадровка по импульсам.
Бессопловая шашка с воспламенением в глубине канала

Для большего разнообразия диапазонов давлений горения этого топлива в канальных шашках было проведено низкоатмосферное испытание двух бессопловых шашек.

Импульсное горение наблюдалось только в самом начале горения.

Рисунок 33 - Бессопловая шашка с воспламенением в глубине канала - стабильное догорание.
Бессопловая шашка с воспламенением в глубине канала

Большая часть шашки выгорела стабильно.

Рисунок 34 - Бессопловая шашка с воспламенением снаружи канала - раскадровка по импульсам.
Бессопловая шашка с воспламенением снаружи канала

Во второй шашке импульсное горение так же наблюдалось только в начале, потом горение было стабильным. Но импульсы были слабее, и их число было больше.

Рисунок 35 - Бессопловая шашка с воспламенением снаружи канала - стабильное догорание.
Бессопловая шашка с воспламенением снаружи канала

Вероятнее всего неустойчивость горения этих бессопловиков вызвана выбросом жидкого шлака из тонкого канала, накопившегося при воспламенении в нём.

На данный момент с появлением более новой литературы, в которой более детально описаны стационарные и нестационарные процессы работы РДТТ удалось получить значительные знания в области устойчивости горения ТРТ. В лучшем случае можно было найти книжку, в которой довольно поверхностно описывалось явление устойчивой работы РДТТ, где об этом лишь упоминалось, не углубляясь в суть проблемы. Поэтому мой выбор остановился на двух источниках:

  • Абугов Д. И., Бобылев В. М. Теория и расчет ракетных двигателей твердого топлива. Учебник для машиностроительных вузов.—М.: Машиностроение, 1987.—272с.: ил.
  • Шапиро Я. М., Мазинг Г. Ю., Прудников Н. Е. Теория ракетного двигателя на твердом топливе.—М., Воениздат, 1966г. 266с.

В приведённой литературе хорошо описана суть инерционности переходных процессов горения ТРТ, связанных со скоростью изменения прогрева слоя топлива. Приводится предельное значение давления Pпр, являющейся границей устойчивой работы РДТТ. Но итоговые выводы по практическому устранению низкочастотной неустойчивости горения совсем не совпадают с предложенными ранее мне Serge77: «SashaPro, есть твёрдо установленный профессиональными пороховиками факт: большинство топлив имеют интервал давлений, в котором они горят нестабильно. Обычно нижняя граница интервала - это где-то 3-5-10 атм, а верхняя - 20-30-50 атм, а то и выше. Ниже и выше этих границ горение стабильное. Эти границы для конкретного топлива зависят от геометрии шашки и двигателя. Например, в торцевом двигателе горение более стабильно, чем в канальном… Все ракетчики лечат нестабильное горение повышением давления. Это просто азбука.» [ссылка] А вот что в книжках: «Из формул (9.33) и (9.36) видно, что практическими мерами по устранению низкочастотной неустойчивости рабочего процесса РДТТ являются: уменьшение объёмного заполнения камеры РДТТ топливом, увеличение времени работы двигателя (или снижение его тяги), а также увеличение скорости горения и уменьшение показателя ν применяемого ТРТ» [2, стр. 142].

Испытания бессопловых шашек и двигателей с более высоким давлением показывало только одно – неустойчивость давления в камере РДТТ никуда не девалась и может наблюдаться и при низком давлении и при среднем и возможно при ещё более высоком. Но где предел высокого давления? Испытания двигателей Р-20 и Р-40 показали, что горение данного топлива очень чувствительно к давлению. Уже при критическом сечении 12мм тяга у Р-40 будет всего несколько сот грамм. При критическом диаметре 8мм тяга составляет примерно 10кГ при 12÷16атм. Что же будет, если сделать диаметр критического сечения 6мм? Вполне вероятно, что давление может превысить 50атм и весьма значительно. При этом корпус не выдержит, а упрочнять его придётся во много раз, что не является разумным решением проблемы. Пытаться удержать стабильную работу такого двигателя на таком огромном давлении в пределах диаметра критического сечения 6мм±0,5мм – задача почти невыполнимая и заведомо обреченная. В книжке даётся совсем другой совет – повысить время работы двигателя, за счёт снижения тяги и соответственно снижения давления в двигателе. Парадокс! Но на практике в результате разгара критического сечения у двигателей Р-40 действительно наблюдается более устойчивое горение, что соответствует ещё и второму совету из книжки – уменьшение объёмного заполнения камеры РДТТ топливом.

Но всё это лишь поверхностные выводы. Оказывается, эти советы даны для широкого случая работы РДТТ, например, для желающих использовать многорежимные РДТТ с быстроменяющимся законом тяги или даже скачкообразным. Но у меня нет такого желания. Мне нужен двигатель с постоянной тягой или прогрессирующей примерно в 1,5раза плавно и равномерно в течение всего времени работы двигателя. Тогда из-за чего происходит быстрое изменение давления в камере сгорания двигателей Р-40 да ещё и совершенно случайным образом?

Нестационарными называются неустановившиеся процессы работы РДТТ при переходе от одного стационарного или квазистационарного состояния к другому. Такими процессами являются:

  1. Воспламенение заряда ТРТ и выход двигателя на стационарный режим работы при запуске РДТТ;
  2. Переход с одного стационарного режима работы на другой многорежимных РДТТ;
  3. Период последействия после выгорания топлива РДТТ;
  4. Обнуление и реверс тяги;
  5. Отсечка тяги с гашением топливного заряда.

Есть следующие версии резкой потери давления в двигателях Р-40:

  1. Радиальное растрескивание скреплённого заряда и резкое развитие эрозионного горения в трещинах, приводящее к быстрому неконтролируемому росту давления в камере сгорания.
  2. Разгерметизация корпуса.
  3. При воспламенении и резком выходе двигателя на режим, из-за спада с начального скачка давления.
  4. Сильное оплавление поверхности топлива при длительном воспламенении, приводящее к непостоянству толщины прогреваемого слоя топлива при наборе давления до режимного.
  5. Потеря фрагментов корпуса двигателя во время работы (новая версия).

Первая версия применялась к результатам испытания двигателя Р-40-2 для объяснения причин его разрушения. Для решения данной проблемы во всех следующих двигателях было использовано секторное деление скреплённого заряда с помощью радиальных перегородок вдоль всего корпуса двигателя.

Разгерметизация корпусов двигателей Р-40 то и дело давала о себе знать, что приводило к непредвиденной отсечке тяги. По ходу отработки технологии сборки корпуса постоянно возникали неприятные моменты, которые только в последних двигателях Р-40 удалось полностью устранить.

Третья версия отрабатывалась до испытания двигателя Р-40-13, когда удалось добиться неинерционной работы стенда, эта версия отпала, так как снижение давления с начального скачка было не сильным, так же как и скорость набора и сброса давления в скачке оказались в пределах нормы. Двигатель продолжил работать дальше ещё 3с, что только утверждает состоятельность применение плавной системы газового воспламенения, не приводящей к резкому возгоранию топлива и добавочному давлению от горения самого воспламенителя.

Версия с расплавленным слоем топлива при воспламенении была наиболее вероятной при попытках объяснить спонтанное самозатухание топливного заряда двигателей Р-40 при их воспламенении. Применялись самые разнообразные схемы воспламенения, но добиться хоть сколько-нибудь прогнозируемого результата работы двигателя не удалось. Давление по-прежнему сбрасывалась совершенно необъяснимым и случайным образом.

Последующее более внимательное изучение процессов горения и работы двигателей привело к появлению ещё одной версии резкого снижения давления в двигателе, связанной с хаотичной потерей фрагментов корпуса под давлением. Подробнее…

На данный момент устойчивая работа двигателей на этом топливе находится в стадии испытаний.

Последние испытания доказали, что неустойчивая работа двигателя была вызвана неизотропностью свойств материала сопла – силикатного ватмана. Мистический интервал неустойчивого горения топлива так и не был найден ни на практике, ни в теории. Более того, в литературных источниках указывают крайний интервал или границу устойчивого горения, ниже которой горение нестабильно на всех давлениях до нуля, а выше стабильно. Эту границу удалось определить, для этого топлива она составляет 1атм в абсолютном значении. Причём это не удивительная цифра, так как значения от 0,5атм до 3атм вполне нормальны для большинства смесевых топлив. Многие топлива могут заглохнуть в вакууме, но в атмосфере уже горят стабильно.

Литература:

  1. Позин М.Е. Технология минеральных солей (удобрений, пестицидов, промышленных солей, окислов и кислот), часть 1 и 2, изд. 4-е, испр. Л., Издательство «Химия», 1974.
  2. Абугов Д. И., Бобылев В. М. Теория и расчет ракетных двигателей твердого топлива. Учебник для машиностроительных вузов.—М.: Машиностроение, 1987.—272с.: ил.
  3. Шапиро Я. М., Мазинг Г. Ю., Прудников Н. Е. Теория ракетного двигателя на твердом топливе.—М., Воениздат, 1966г. 266с.
SashaMaks © 19.02.2012
Любительские высотно-скоростные ракеты 1996-2016