ВТОРАЯ Методы и результаты экспериментальных исследований

Регистрация тепловой волны горения

Определение параметров распространения фронтового процесса терморазложения связано с определенными трудностями как в постановке эксперимента, так и с обработкой результатов испытаний. В основе таких испытаний лежит измерение температуры в зоне прогрева и химических реакций. Большое распространение получил метод использования микротермопар, которые вводятся в образец КС и регистрируют тепловую волну, распространяющуюся по веществу. В регистрирующем устройстве записывается сначала температура в твердом веществе, а затем в газовой фазе после того, как поверхность раздела фаз пересекает слой термопары [1].

На рис. 2.1 приведены результаты измерений температуры во фронте терморазложения при нагреве радиационным тепловым потоком слоя пенополиуретана (ППУ), который образует тепловую защиту охраняемого объекта ОБ в форме цилиндра, установленного в центре корпуса — контейнера [20]. Видно заметное расхождение результатов расчета — расчетная кривая отклоняется от экспериментальной (с точностью эксперимента) и не поднимается выше температуры достижимого перегрева ППУ, которая не была учтена в расчетах.

На рис. 2.2—2.4 приведены результаты измерений температур во фронте горения образцов пороха Н, перхлората аммония (ПХА) и октогена при различных давлениях [1, 21].

Следует отметить, что при измерении температурного профиля большое значение имеет место установки термопар. Если термо-

Рис. 2.1. Показания размещенных в слое ППУ термопар (результаты расчета — сплошные линии, измерения — штриховые). Вставка слева на рис. а — схема размещения термопар: а — термопары 1—4; б — термопары 5—10

Рис. 2.2. Распределение температур во фронте горения образца пороха Н (координата х отсчитывается от поверхности горения): а — при вакуумировании при 120 °С и различном до давления р, мм рт. ст: 1 — 0; 2 —100; 3 — 600, начальная температура Т₀ = 120 °С; б — при давлении, МПа (1 — 1; 2 — 5; 3 — 10)

пара плотно прижата к поверхности, она углубляется в расплав до границы с температурой плавления КС. Показания такой термопары ниже, чем термопары, выходящей на поверхность расплава.

Температурные профили во фронте горения образца пороха Н и нитраминов, обнаруживают значительное сходство. Оно заключается в том, что в поверхностном слое К-фазы имеется узкая реакционная зона, а газовая фаза состоит из широкой реакционной зоны. Наибольший рост температуры (и теплового эффекта) приходится на газовую фазу, где она растет на сотни градусов, в то время как температура в К-фазе — на десятки.

При низких давлениях возможно существование режима беспламенного горения, при котором поступающий к поверхности тепловой поток ничтожно мал, и нагрев поверхностного слоя осуществляется, в основном, за счет химической реакции вблизи поверхности (рис. 2.2,а). При этом пламя отсутствует и температура в газовой фазе незначительно превышает температуру поверхности горения. Установлено предельно низкое давление, ниже которого горение возбудить невозможно. Например, для октогена такое давление около 0,5 МПа. При низких давлениях горение может быть неустойчивым с колебаниями температуры (рис. 2.2). Анализ дан в §4.2

Разновидностью беспламенного горения является тление (в результате недостатка окислителя в реакционном слое).

Важным результатом измерений с помощью термопар является определение темпов нагрева вблизи поверхности, которые были подсчитаны, как произведения линейной скорости распространения фронта и на градиент температуры ф = бТ/сЬс. Высокие темпы нагрева КС (10³—10⁴ К/с) достаточны для перегрева свыше температуры диссоциативного кипения.

Таким образом, для исследования кинетических характеристик горения таких КС необходимо иметь методику испытаний, которая позволяла бы достигать измеряемых температур образцов за малые доли секунды. При темпе нагрева 10⁵ К/с это время составит около 0,0001 с. Если для исследований использовать методики и аппаратуру с большими временами выхода на температуру Т„ то стадии процесса газификации с меньшими временами будут для наблюдений недоступны. Помимо этого для исследования макрокинетики необходимо, чтобы толщина образцов была менее толщины слоя реакционного слоя 8 < 20 ч- 60 мкм. В противном случае ввиду больших перепадов температуры в образце остается неясным, к какой температуре относить результаты испытаний.

Рис. 2.3. Профили температуры во фронте горения образца октогена при различной начальной температуре Т₀ (? — 170 °С; д — 20 °С; О — 100 °С) при различном давлении, МПа: а — ОД; б — 0,5; в — 6,0

Рис. 2.4. Графики температуры и объемного тепловыделения во фронте горения Ф образца ПХА при различном давлении р, МПа: а — 5,0; б — 10

Например, при Ъ = 10⁵ К/с перепад температуры составит 16 °С (5 = 0,004 мм). Для таких исследований применяют специальные — скоростные методы термического анализа. Изучение температурных профилей показывает [1, 3, 21], что убыль массы вещества с поверхности определяется скоростями двух конкурирующих процессов — испарения (сублимации) и термолиза КС.

При низком давлении (0,1 МПа) темп нагрева образца из окто- гена на поверхности горения невелик (Ь = 0,08 К/с). Такой темп нагрева недостаточен для значительного перегрева относительно температуры равновесного фазового превращения.

Термопарные измерения позволяют приблизительно определить температурные области метастабильного состояния КС в режиме горения, причем перегрев КС свыше температуры кипения

Рис. 2.5. Выявленные области метастабильного состояния КС для образцов:

1 — из термостойкого компонента пороха Н; 2 — октогена, 3 — ПММА; 4 — ПХА; 5 — ПЭГ-400; б — ПЭС-5

достигается путем повышения начальной температуры от одного опыта к другому.

Если бы на поверхности горения установилась температура кипения, она бы почти не зависела от начальной температуры. Такие области возможных перегревов показаны на рис. 2.5 горизонтальной штриховкой для образцов из пороха Н, ПММА (по уравнению состояния), октогена, ПХА.

Для сравнения приведены такие же области для полиэтиленгликоля ПЭГ-400 и полиэтилсилоксана ПЭС-5 по результатам испытаний методом теплового зонда [23, 24].

Горизонтальная штриховка незакончена для систем с нижними значениями температур, выходящими за пределы поля графика. Графики построены по данным, полученным в результате измерений температуры поверхности горения образцов КС с различными начальными температурами Т₀.