Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка теоретико-экспериментальной методики выбора эффективных пиротехнических составов для обеспечения сжигания или диспергирования головного обтекателя ракеты-носителя на атмосферном участке траектории спуска

Сведения об участнике
ФИО
Иордан Юлия Вячеславовна
Вуз
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Химия и химические технологии
Раздел области наук
Физическая химия. Электрохимия. Физические методы исследования химических соединений
Тема
Разработка теоретико-экспериментальной методики выбора эффективных пиротехнических составов для обеспечения сжигания или диспергирования головного обтекателя ракеты-носителя на атмосферном участке траектории спуска
Резюме
Работа направлена на решение проблемы уменьшения площадей районов падения, выделяемых под головной обтекатель. Предлагается новый способ, основанный на сжигании конструкции головного обтекателя после его отделения от ракеты-носителя на атмосферном участке траектории спуска за счет применения пиротехнической смеси.
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.
Ключевые слова
композиционный полимерный материал, пиротехнический состав, горение
Цели и задачи
Цель: Разработка способа сокращения площадей районов падения, выделяемых под створки головных обтекателей, на основе введения эффективных пиротехнических смесей в состав конструкции.
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.
Введение

       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 и материалы

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".

Описание и обсуждение результатов

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.

Используемые источники
1. Шатров Я.Т. Обеспечение экологической безопасности ракетно-космической деятельности. Часть 1, 2: учеб.-метод. – Королев: ЦНИИмаш, 2010.
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.
Information about the project
Surname Name
Iordan Yuliya
Project title
Development of theoretical-experimental methods of selection of effective pyrotechnic compositions to provide a burning or dispersion of the head fairing of the launch vehicle during the atmospheric phase of the trajectory of descent
Summary of the project
The paper presents the analysis of optimal pyrotechnic compositions, determined by the boundary conditions of the system, as well as the results of experimental studies.
The study shows the possibility of implementing this method, and also indicates the future direction of research.
Keywords
composite polymeric material, a pyrotechnic composition, burning