Прислать материал
Разработка теоретико-экспериментальной методики выбора эффективных пиротехнических составов для обеспечения сжигания или диспергирования головного обтекателя ракеты-носителя на атмосферном участке траектории спуска
В работе представлен анализ оптимальных пиротехнических составов, определены граничные условия функционирования системы, а также приведены результаты экспериментальных исследований.
Проведенное исследование показывает возможность реализации данного способа, а также указывает дальнейшее направление исследований.
Задачи проекта:
1. Выбор оптимальных пиротехнических составов, исходя из условий минимизации газовой фазы продуктов реакции и оценки их теплотворной способности;
2. Оценка содержания кислорода по траектории спуска головного обтекателя для определения временного интервала, в рамках которого реализуется процесс сжигания;
3. Оценка прироста температуры от аэродинамического нагрева;
4. Проведение предварительных экспериментов для анализа выбранных составов и способов размещения пиротехнических составов в конструкции створок головного обтекателя.
Проблема уменьшения площадей районов падения в настоящее время актуальна, об этом свидетельствует проведенный патентно-информационный обзор. В качестве варианта решения проблемы предлагается сжигание ГО после отделения от ракеты-носителя на атмосферном участке траектории спуска за счет внесения в конструкцию ГО пиротехнических смесей (ПС), которые воспламеняться в заданный момент времени и доведут температуру конструкции ГО до начала горения его материала.
В работе представлено исследование по определению граничных условий функционирования системы «ГО+ПС»; описаны возможные ПС: газообразующие составы и безгазовые составы; представлены результаты предварительных экспериментов по сжиганию элементов конструкции ГО совместно с ПС.
Методы:
1. Теоретический метод определения физико-химических параметров возможных вариантов пиротехнических смесей.
2. Экспериментальные методы определения термодинамических параметров возможных вариантов пиротехнических смесей.
Материалы:
В работе представлены малогазовые и безгазовые пиротехнические составы. Эксперименты проводились с использованием фрагментов однослойного углепластика и двухслойной конструкции "углепластик+алюминиевый сотовый заполнитель".
В работе представлены различные рецептуры малогазовых и безгазовых составов, включающих:
а) смеси порошков активных металлов с оксидами менее активных металлов.
б) смеси порошков двух металлов или металла с углеродом, способные гореть с выделением большого количества тепла без образования газообразных продуктов реакции.
В качестве активных металлов предлагается использовать порошок магния (Mg) или алюминия (Al) с оксидами кобальта (СоO), железа (Fe2O3), марганца (MnO2), ванадия (V2О3) и др. Для этих пиротехнических составов с помощью программного продукта "ТЕРРА" был выполнен термохимический и термодинамический расчет, в результате которого была получена величина прироста температуры всей системы.
Безгазовый режим горения позволяет реализовать механически активированный порошковый состав B4C – Ti. Механическая активация состава проводилась в планетарной шаровой мельнице АГО-2 с водяным охлаждением в течении 7 минут. Предварительно проведенные эксперименты по определению температуры горения состава показали, что максимальная температура в волне горения достигает 23500С.
Предварительные экспериментальные исследования проводились на базе Института проблем химической физики РАН (г. Черноголовка, Московская область) для малогазовых составов и на базе Института химии твердого тела и механохимии СО РАН (г. Новособирск) для безгазового состава.
Эксперименты выполнялись на фрагментах ГО – однослойных и трехслойных конструкциях, на основе углеродной ленты и связующего вещества.
Все эксперименты проводились при нормальном атмосферном давлении и диффузионном притоке кислорода без учета требования массового соотношения «ГО – ПС». Инициирование горения составов осуществлялось нихромовой спиралью, нагреваемой электрическим током.
Проведенные эксперименты показали, что сжигание углеродных волокон требует большего тепловыделения от ПС, а сам процесс представляет значительно более сложную задачу.
Так, для малогазовых составов по результатам экспериментов видно, что в реальных условиях присутствуют большие тепловые затраты из-за низкой теплопроводности и высокой температуры горения углепластика. Для того, чтобы прогреть углепластик до температуры воспламенения требуются малогазовые ПС с более низкой скоростью протекания реакции и большим тепловыделением.
Для безгазовых составов важным отрицательным результатом является наличие конденсированных продуктов реакции, соответствующих по форме и размерам исходному образцу. Это говорит о том, что требуется рассмотреть другие составы с большим содержанием газообразной фазы (для минимизации конденсированных продуктов реакции).
Таким образом, в процессе решения поставленных задач установлено, что сжечь конструкцию ГО возможно, но для этого необходимо подобрать энергетически более выгодные ПС, а также найти конструктивные пути реализации предлагаемого способа.
2. Trushlyakov V.I., Lempert D., Zarko V. The use of thermite-incendiary compositions for burning of fairing of space launch vehicle // Использование термитно-зажигательных смесей для сжигания обтекателей ракет космического назначения// 18th International Seminar “New Trends in Research of Energetic Materials. 2015. v.2. pp. 901-904 Pardubice, Czech Republic, April 15 - 17, 2015
3. Головной обтекатель ракеты: пат. 2581636 Рос. Федерация: МПК F42B 10/46, B64G 1/64 / Трушляков В.И., Шатров Я.Т., Лемперт Д.Б., Иордан Ю.В., Зарко В.Е.; патентообладатель – ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет»; № 2015105466/11; заявл. 17.02.15; опубл. 20.04.2016, Бюл. № 11.
The study shows the possibility of implementing this method, and also indicates the future direction of research.