Горение порохов, ракетных твердых топлив и пиротехнических составов

Понятие о горении и основные закономерности горения

Горение является рабочим процессом при эксплуатации порохов, РТТ и пиротехнических составов: метание пуль и снарядов стрелкового и артиллерийского оружия, обеспечение движения ракет, выполнение функционального назначения пиросоставов (дымообра- зования, зажигания, освещения, сигнализации и т. д.). В процессе горения различают три стадии: зажжение, воспламенение и горение в глубь взрывчатого материала (ВМ) (собственно горение). Зажжение производится каким-либо возбуждающим импульсом. Чаще всего для этой цели применяются различные капсюли-воспламенители. Действие капсюлей-воспламенителей приводит к воспламенению поверхности пороха или иного ВМ. При этом в первый период горение происходит в атмосфере воздуха, что обусловливает развитие горения с большей скоростью, чем это свойственно данному ВМ.

Собственно горение — это процесс распространения реакции разложения от поверхностных слоев в глубь ВМ. Скорость приобретает стабильное значение, свойственное природе данного ВМ и условиям горения.

Явление горения обладает всеми четырьмя признаками, которые присущи взрывчатому превращению: экзотермичность реакции, процесс самораспространяющийся, реакция идет с большой скоростью и с образованием газообразных продуктов, за счет расширения которых производится работа.

В отличие от горения таких материалов, как уголь, нефть, древесина и т. п., горение порохов идет за счет собственного кислорода, а не за счет кислорода воздуха, что определяет возможность горения ВМ в инертных газах, под водой, в отсутствие воздуха и т. д.

Интенсивность горения, теплотворная способность (калорийность) порохов определяются количеством активного внутримолекулярного кислорода в индивидуальных и количеством кислорода-окислителя в смесевых ВМ (активным является кислород, не связанный в молекуле с атомами углерода и водорода, например в группах N0₂, N0). Содержание активного кислорода выражается через величину кислородного баланса, представляющую собой выраженную в процентах разность между количеством кислорода, содержащимся во ВМ, и его количеством, необходимым для полного окисления горючих элементов.

Из сказанного следует, что горение обеспечивается явлениями диффузии и теплопередачи: проникновением продуктов горения в контактируемый слой и нагревом контактируемого слоя до температуры возгорания ВМ в результате передачи теплоты от продуктов горения контактируемому слою. Распространение горения происходит в виде повторяющихся явлений подъема — спада (воспламенение — прогрев следующего слоя), подобно распространению волн на поверхности воды.

Явление горения конденсированных систем имеет широкую область практического применения: в огнестрельном оружии для метания пуль и снарядов за счет сгорания пороха, в ракетных двигателях для создания необходимой тяги за счет горения РТТ и в пиротехнических составах для обеспечения эффективного действия пиросостава.

Знание закономерностей горения ВМ также имеет практическое значение, в связи с тем что обоснованно позволяет создать такие условия, которые при возгорании ВМ в максимальной степени предотвратят переход горения в детонацию.

Горение ВМ представляет сложный самопроизвольно протекающий физико-химический процесс превращения пороха, РТТ, пиросостава или ВВ преимущественно в газообразные продукты горения (СО, С0₂, Н₂0, N₂ и др.), сопровождающийся выделением теплоты. Горение характеризуется тремя основными факторами: скоростью горения, тепловыделением, образованием газообразных продуктов.

Горение порохов и РТТ представляет сложный самопроизвольно протекающий физико-химический процесс превращения пороха в преимущественно газообразные продукты горения (С0₂, СО, Н₂0, Н₂ и др.), сопровождающийся выделением определенного количества теплоты.

Горение порохов характеризуется тремя основными факторами:

1) скоростью процесса;
2) тепловыделением;
3) образованием газообразных продуктов.

Горение порохов, существенно не отличаясь от взрывчатого превращения по количеству выделяющейся теплоты (W) и объему газообразных продуктов (Q^^), в очень сильной степени отличается по скорости процесса. Горение порохов имеет скорость, равную нескольким десяткам миллиметров в секунду, в то время как взрыв протекает со скоростью нескольких тысяч метров в секунду. Скорость протекания взрывных процессов практически не зависит от давления и температуры, в то время как скорость процесса горения существенно зависит от этих факторов.

Скорость горения порохов (РТТ). Различают линейную и массовую скорость горения.

Линейной скоростью горения называют скорость перемещения горящей поверхности в глубь пороховых элементов по нормали и поверхности пороха; она обозначается буквой U и измеряется обычно в мм/с.

Если за время dt сгорит слой пороха толщиной de, то скорость горения определяется следующим выражением:

Массовая скорость горения пороха характеризуется количеством пороха, сгорающего в единицу времени с единицы площади горящей поверхности.

Массовая скорость горения связана с линейной скоростью следующим уравнением:

где U_m — массовая скорость горения пороха, г/(с-см²); U — линейная скорость горения пороха, см/с; р — плотность пороха, г/см³.

Скорость горения является важнейшей баллистической характеристикой порохов и РТТ, так как ее величина в значительной степени определяет баллистические характеристики зарядов.

Величина тяги РДТТ также сильно зависит от величины скорости горения

От величины скорости горения зависит также значение таких баллистических характеристик, как давление в камере сгорания, время работы РДТТ. Поэтому важно знать, от каких факторов зависит величина скорости горения порохов.

Установлено, что скорость горения зависит от очень большого числа факторов, основными из которых являются: природа и состав порохов, давление газов среды, в которой происходит горение, и начальная температура пороха.

Скорость горения ВМ зависит от природы, состава, давления, начальной температуры, плотности и т. д.

Для порохов при строго определенных значениях начальной температуры и давления величина скорости горения определяется в основном природой и составом. Скорость горения в указанных условиях называется единичной и обозначается U_v

Величина единичной скорости горения пироксилинового пороха для стрелкового оружия равна 0,9—1,0, орудийного 0,75—0,85, нитроглицеринового минометного 1Д5—1,20 и ракетного 0,7 мм/с. Для пироксилиновых порохов значение «единичной» скорости зависит от содержания летучих веществ в порохе и содержания азота в исходном пироксилине. Экспериментальные данные показали, что увеличение содержания летучих веществ в порохе на 1 % снижает U₁ примерно на 10 %, а повышение содержания азота на 0,1 % приводит к росту скорости горения на 3 %.

Как правило, скорость горения повышается с увеличением содержания активного внутримолекулярного кислорода для индивидуальных ВМ и кислорода окислителя для смесевых ВМ, достигая максимума при количестве кислорода, обеспечивающем полное окисление углерода и водорода до С0₂ и Н₂0. Связано это с тем, что скорость горения зависит от интенсивности теплопередачи от горящего слоя к контактируемому, а она, в свою очередь, — от величины теплоты сгорания, которая достигает максимального значения (при прочих равных условиях) при полном окислении углерода и водорода.

Скорость горения ВМ зависит от давления. С увеличением давления скорость горения порохов и РТТ повышается.

На процесс горения ВМ оказывает влияние диаметр заряда. Равномерное устойчивое горение ВМ, помещенного в трубку, возможно только в том случае, если диаметр заряда превосходит некоторое минимальное значение.

Минимальный диаметр заряда, при котором еще возможно устойчивое равномерное горение, называется критическим диаметром горения. Значение критического диаметра не является абсолютной величиной. Оно зависит от ряда факторов. Так, чем выше давление и начальная температура, тем меньше, при прочих равных условиях, критический диаметр. В свою очередь, для данного диаметра существуют предельные значения давления и температуры, ниже которых горение затухает.

Критическое значение одного из названных трех параметров (диаметр, давление, начальная температура) при постоянном значении двух других и определенных условиях опыта (материал и толщина оболочки) может служить сравнительной характеристикой способности ВМ к горению. Например, литой тротил при комнатной температуре и атмосферном давлении не горит в стеклянной трубке диаметром 24 мм и устойчиво горит, когда диаметр трубки увеличен до 27—28 мм. Тетрил в литом виде при тех же условиях горит в трубке диаметром более 6 мм. Нитроглицериновый порох с 28 % нитроглицерина в виде сплошных цилиндрических шашек в оболочке из асбестового шнура горит при атмосферном давлении и обычной температуре лишь в том случае, если диаметр шашки не менее 20 мм. При температуре 65 °С он устойчиво горит в виде шашки диаметром 5 мм. С увеличением давления до 0,5 МПа шашки этого диаметра (5 мм) горят даже при температуре ниже нуля.

На устойчивость горения оказывает влияние плотность ВМ. Плотность — это масса вещества, приходящаяся на единицу объема (масса единичного объема). Для индивидуальных твердых ВМ существует понятие «плотность монокристалла» (р_мк, г/см³) — это масса одного объема ВМ, находящегося в виде монокристалла.

Влияние плотности на устойчивость горения проявляется неоднозначно для веществ с различными физическими свойствами. Так, для ВМ, плавящихся при горении (тротил, тетрил), при уменьшении плотности ниже некоторого предела горение невозможно. Для не плавящихся при горении ВМ (нитроклетчатка, изделия на ее основе), наоборот, наблюдается максимум плотности, выше которого горение прекращается. Линейная скорость горения порошкообразных ВМ уменьшается с увеличением плотности. При этом массовая скорость горения обычно остается постоянной.

При изменении температуры и давления в некоторых пределах могут изменяться состав продуктов и теплота горения пороха.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Охарактеризуйте явление горения конденсированных систем.
2. Какими факторами характеризуется горение порохов и ракетных твердых топлив? Чем отличается горение от взрывчатых превращений?
3. Дайте определение линейной и массовой скорости горения. От чего зависит скорость горения?