Организация внутрикамерных процессов в двигательных и технологических установках на металлических горючих

Фридрих Артурович Цандер, один из основоположников теории и практики ракетного двигателестроения, мечтал сжигать металлы в камере сгорания ракетного двигателя. В двигателе на жидком кислороде в качестве окислителя он именно металл считал основным горючим, а углеводородвспомогательным. Осуществить эту идею при существующей в то время технологии было нереально. Поэтому его сподвижникам пришлось отказаться от идеи сжигать металлы [1].

В современных энергетических и технологических установках широко используется горение металлогазовых систем, как для создания тяги (РДТТ, ГРД, РПД [2 — 6]), так и для получения целевого продукта, применяемого в промышленности (СВС [7, 8]). В последние два десятилетия научными коллективами ОКБ «ТЕМП» при Пермском ГТУ, НИИЭМ при МГТУ им. Н. Э. Баумана, ГНИИХТЭОС и Тольяттинского ГУ показана возможность создания новых высокоэффективных технических устройств, использующих горение распылённых в активном газе порошков металлов (алюминия, магния, бора*). Это — прямоточные гидрои воздушные двигатели на порошкообразных металлических горючих (ПМГ) [9 — 11], ракетные двигательные установки на порошкообразном топливе [11, 12], технологические реакторы синтеза ультрадисперсных оксидов [13−18].

Применение принципиально нового типа горючегопорошкообразного металлического — в ПВРД по существу открывает новое направление в реактивном двигателестроении [10 — И]. Обладая большой теплотой сгорания и высокой плотностью (табл. 1), ПМГ способны существенно увеличить такие важные характеристики двигательных установок, как удельные импульсы тяги — массовые и объёмные (рис. 1). Здесь и далее так же, как и в [3], к металлам условно отнесён бор, который является металлоидом.

Порошкообразные металлические горючие позволят, с одной стороны, сохранить эксплуатационные достоинства ТРТ, с другой стороны исключить их основной недостаток — отсутствие возможности регулирования в широком диапазоне тяги двигателя. Текучесть ПМГ обеспечивает регулирование тяги в десятки раз по произвольному закону.

Таблица. ХАРАКТЕРИСТИКИ ГОРЮЧИХ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫХ.

ДВИГАТЕЛЕЙ.

Горючее.

Характеристика мё А1 В А1В2 Керосин ТРТ для РПД.

Стехиометрич. 2,8 3,8 9,6 6,7 14,7 4−8 отношение.

Теплотворная 21 способность, 25 31 59 44 43 27.

МДж/кг.

Плотность материала, кг/л 1,7 2,7 2,35 3,2 0,83 1,75.

Плотность заряжания бака, 1,2 1,9 1,5 2,2 0,75 1,51,7 кг/л.

Прямоточные двигатели на ПМГ имеют ряд исключительных преимуществ по сравнению с ПВРД на известных типах горючего (керосин): высокий объёмный импульс тяги {Зу= 20. 35 МН-с/м3, рис. 1), возможность работы на предельных высотах полёта летательного аппарата (Я = 30. 40 км), высокий коэффициент тяги (Сд= 1,5. 2) и хорошие эксплуатационные характеристики.

Зуд, кН-с/кг 17,5 15,0 12,5 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0.

Керосин А’ЕЗг.

А1.

ТРТ.

ТРТ.

РДТТ.

РПД.

ПВРД.

Зудрг, кНс/м.

35 000 30 000 25 000 20 000 15 000 10 000 5000 0.

А1 В,.

А1.

Керосин.

ТРТ.

ТРТ.

РДТТ ПВРД РПД.

ПВРД.

Рис. 1. Диаграмма удельных и объемных импульсов тяги для разных типов двигателей и разных топлив.

Соответственно, управляемые ракеты, оснащенные прямоточными ВРД на ПМГ приобретают ряд качеств, чрезвычайно важных для их боевого применения (малые габариты и масса, возможность достижения большой высоты и дальности полёта, высокая скорость и манёвренность на всей траектории полёта, удобство хранения и обслуживания).

Развитие современных технологий основывается на производстве высококачественных порошковых материалов, обладающих заданными свойствами: высокой химической чистотой продукта, требуемым фазовым и дисперсным составом, сферической формой частиц, высокой твердостью и тугоплавкостью, окислительной и коррозионной стойкостью и в некоторых случаях особыми электрическими и оптическими характеристиками.

Одно из главных современных направлений в области разработки новых порошковых материалов — синтез ультрадисперсных порошков (УДП) с размером частиц ~ 100 нм. УДП находят всё большее применение в медицине, машиностроении, создании оптических приборов, атомной энергетике, ракетно-космической технике, химической промышленности и других областях (рис. 2), где может быть полезно использование свойств, которыми обладают субмикронные и ультрадисперсные порошки [19 — 28].

Рис. 2. Применение ультрадисперсных порошков.

Традиционно основным методом производства порошков было диспергирование природных материалов (в шаровых, струйных и высокоскоростных вращающихся мельницах) и последующая очистка полученных порошков от примесей [19, 22, 28, 29]. В настоящее время новые технологии изготовления порошков, позволяющие улучшить качество порошковых материалов, повысить химическую чистоту и дисперсность, вытесняют механическую обработку [7, 8, 19, 22, 30 — 32]. В то же время, существующими методами редко удается преодолеть все трудности и получить порошок с заданными свойствами. Качественный анализ широко известных методов показывает, что большинству из них присущи следующие недостатки: низкая производительность, большая трудоёмкость и энергоёмкость технологического процесса.

В научно-исследовательских работах [13 — 18, 33 — 35] был предложен новый метод получения ультрадисперсных порошков оксидов металлов. Сжигая распыленные в активном газе порошкообразные металлы, в технологической установке можно синтезировать новые порошковые материалы с заданными свойствами. Такие технологии перспективны, экономически выгодны и позволяют получить продукты высокого качества при высокой производительности (более 100 кг/час целевого продукта). Получение ультрадисперсного оксида алюминия с заданной кристаллической модификацией, формой и размером частиц, с низким содержанием примесей методом сжигания порошка алюминия в воздушном потоке составляет важное направление в рамках указанной проблемы.

Природные ресурсы объектов Солнечной системы могут быть использованы в качестве компонентов топлива для ракетных двигателей космических летательных аппаратов (КЛА). В работах Шафировича Е. Я. и Гольдшлегера У. И. [36 — 39] при исследовании Марса предлагается использовать ракетный двигатель на металлическом горючем, транспортируемом с Земли, и окислителе — углекислом газе, добываемом из марсианской атмосферы. Многочисленные исследования, проведённые в последнее время, показали, что на поверхности Марса присутствует существенное количество воды (в виде льда). Лёд также имеется на спутниках Юпитера (Европа, Ганимед, Каллисто) [40], в ядрах комет и на некоторых других космических телах. Воду внеземных объектов можно использовать в качестве окислителя для ракетного двигателя КЛА [41, 42].

В соответствии с данными, полученными европейским зондом «Гюйгенс», спутник Сатурна Титан обладает плотной атмосферой, состоящей в основном из азота. Азот внеземных объектов также можно использовать в качестве окислителя для реактивных двигателей КЛА [43]. Такая возможность обусловлена специфической для металлов экзотермической реакцией азотирования [44].

Удельная тяга ракетного двигателя на металлическом горючем и внеземных окислителях в основном ниже, чем у земных штатных топлив. Однако в условиях космических объектов более важным показателем является минимально необходимая масса посадочной ступени КЛА, доставляемой с Земли на поверхность космического тела. Применение окислителей, добываемых на поверхности внеземных объектов, позволяет уменьшить эту массу, при существенном увеличении исследовательской программы [36 — 39, 41 — 43, 45]. Анализ возможных схем ДУ на внеземных окислителях показал, что двигатель на порошкообразном металлическом горючем в данном случае наиболее приемлемый вариант [42].

При проектировании двигательных и технологических установок на порошкообразных металлических горючих перед разработчиками встаёт ряд задач, связанных с организацией рабочего процесса. Это в первую очередь, -обеспечение устойчивой регулируемой подачи металлического порошка в камеру сгорания, его равномерного распределения по поперечному сечению камеры и смешения с окислителем, надёжного зажигания полученной горючей смеси, стабилизации пламени, устойчивого и эффективного горения (высокой полноты сгорания). Из цепи взаимосвязанных процессов определяющими и наиболее сложными для осуществления являются процессы сжигания аэровзвеси металлического порошка (в настоящее время не существует способа сжигания металлогазовой смеси, удовлетворяющего всем условиям работы двигательных и технологических установок на ПМГ).

За предыдущие полвека бурного развития реактивных двигателей на жидких горючих за рубежом и в России был накоплен большой научный и практический опыт организации рабочего процесса в камерах сгорания углеводородных горючих [46 — 50]. Реактивные двигатели на жидких углеводородных горючих (ЖУГ) достигли высокой степени совершенства и стали широко использоваться в качестве силовых установок летательных аппаратов (ЛА). К сожалению, этот опыт нельзя применить к установкам на ПМГ из-за особенностей данных горючих. Однако, как будет показано далее, учет и использование некоторых особенностей металлических горючих позволяет организовать рабочий процесс в реактивных двигателях и технологических установках на ПМГ не менее эффективно, чем в двигателях на ЖУГ.

ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ является разработка и обоснование нового способа организации сжигания металлических горючих в потоке активных газов, создание проектных концепций перспективных реактивных и технологических установок на порошкообразном алюминии и оптимизация их параметров.

ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

Для достижения указанной цели необходимо:

1. Создать математическую модель воспламенения и горения частицы алюминия в потоке активных газов, учитывающую кинетические факторы. На основе этой модели разработать модель горения высокоскоростного потока полифракционной, переобогащённой алюминиево-воздушной смеси. Провести численное моделирование горения аэровзвеси порошка алюминия.

2. Разработать новый способ организации воспламенения и горения порошков металлов в воздушном потоке. В соответствии с разработанным способом создать математическую модель, описывающую процессы горения в реактивных и технологических установках на ПМГ.

3. Спроектировать экспериментальную установку для исследования процессов воспламенения и горения порошков металлов в воздушном потоке. Определить параметры установки, обеспечивающие устойчивое, самоподдерживающееся и эффективное горение металловоздушной смеси. Уточнить кинетические характеристики горения алюминиево-воздушной смеси. Сравнить результаты расчётов и проведённых в работе экспериментов, а также экспериментальные и расчётные данные с данными других авторов.

4. Разработать схему ПВРД ПМГ, его основные системы и элементы конструкции. Подтвердить их работоспособность. Провести экспериментально-теоретические исследования влияния различных параметров на эффективность ПВРД ПМГ. Определить оптимальные значения параметров.

5. Создать экспериментальную технологическую установку для исследования процесса получения дисперсного оксида при сжигании порошка алюминия в воздушном потоке и определить параметры, влияющие на дисперсность образующегося оксида. Получить образцы ультрадисперсного оксида алюминия с заданными свойствами.

6. На основании полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований разработать схему двигателя КЛА на металлических горючих и внеземных окислителях. Разработать рекомендации к проектированию систем и элементов смесеобразования, воспламенения и горения двигателей космических аппаратов на ПМГ.

МЕТОДЫ И ПОДХОДЫ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ В ХОДЕ ВЫПОЛНЕНИЯ.

ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Использованы методы и подходы механики сплошных сред, теории горения металлов и газодисперсных систем, математического моделирования процессов испарения частиц металлов и химической конденсации продуктов испарения, газовой динамики дисперсных систем, проектирования, конструирования и проведение испытаний реактивных двигательных установок и нестандартного оборудования, физико-химические методы исследования порошковых материалов (рентгеновский, электроннооптический, оптический).

НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

1. Создана математическая модель горения частицы алюминия, впервые учитывающая кинетические ограничения процессов испарения и поверхностных химических реакций. Модель вносит существенный вклад в теорию горения мелкодисперсного алюминия при низких давлениях.

2. С помощью модели доказана сильная неравновесность процесса горения частиц алюминия. В рамках созданной модели впервые получили ясную интерпретацию некоторые известные экспериментальные факты, связанные с образованием оксида: асимметричность горения, распад частиц на отдельные капли, появление полых сфер в продуктах сгорания.

3. В отличие от существующих моделей предложенная модель адекватно описывает процессы образования оксида. Расчет доли оксида, накопившегося на частице, хорошо согласуется с опытными данными.

4. Расчетами по модели впервые показано: изменяя параметры среды и размер частицы можно осуществлять переход от гетерогенного горения к газофазному, тем самым в широких пределах изменять дисперсность оксида.

5. Создана математическая модель горения высокоскоростного потока (М< 1, М > 1) полифракционной аэровзвеси частиц алюминия, впервые учитывающая кинетику и неравновесную термодинамику процессов горения, как на поверхности частиц, так и в объёме потока. Модель адекватно описывает воспламенение и горение переобогащённых алюминиево-воздушных смесей (коэффициент избытка воздуха, а < 1).

6. Сформулированы новые принципы организации процесса сжигания порошкообразных металлов в камере сгорания без применения специальных механических устройств (решётки, плохообтекаемые тела, уступы и т. п.), вызывающих аэродинамическую рециркуляцию двухфазного потока.

7. Экспериментально впервые подтверждено самоподдерживающееся, устойчивое горение аэровзвеси порошкообразных горючих (алюминия и бора), в широком интервале параметров, в камере сгорания без вызывающих рециркуляцию потока устройств.

8. Экспериментально и теоретически (численным моделированием) впервые показано, что, изменяя условия смешения в камере сгорания, можно влиять на механизм горения частиц алюминия и тем самым изменять дисперсность оксида в широких пределах.

9. Впервые подтверждена возможность высокоэффективной организации внутрикамерных процессов в технологических и реактивных двигательных установках на порошкообразном алюминиевом горючем.

10. Экспериментально впервые показана возможность промышленного получения ультрадисперсного оксида с заданными свойствами методом сжигания аэровзвеси порошка алюминия.

11. Впервые предложено и обосновано применение в качестве окислителя и рабочего тела реактивных двигателей космических летательных аппаратов воды, которая содержится в виде льда на многих космических телах, и азота, из которого состоит атмосфера спутника Сатурна Титана.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ.

Теоретические и экспериментальные результаты работы могут быть использованы при проектировании и отработке систем и элементов смесеобразования и горения новых высокоэффективных технологических и реактивных двигательных установок на порошкообразном металлическом горючем.

Разработанный способ организации сжигания порошкообразных металлов без применения механических устройств, вызывающих аэродинамическую рециркуляцию двухфазного потока, позволяет существенно повысить время работы и увеличить область значений рабочих параметров реактивных двигателей на ПМГ. Это приводит к резкому повышению тактико-технических характеристик боевых управляемых ракет с такими двигателями.

Новый высокопроизводительный и экономичный метод получения ультрадисперсных оксидов алюминия с заданными свойствами позволит перейти к массовому производству промышленных материалов для современных технологий.

Разработанный в работе метод получения оксида алюминия с заданными свойствами дает возможность в широких пределах изменять дисперсность оксидов, образующихся при сгорании не только алюминиево-воздушной смеси, но и других металлогазовых смесей.

Применение реактивных двигателей на ПМГ и внеземных окислителях в космических летательных аппаратах позволяет расширить возможности исследования дальнего космоса и объектов Солнечной системы.

Математическое моделирование внутрикамерных процессов на основе разработанных моделей позволяет уменьшить число необходимых испытаний при отработке новых реактивных и технологических установок на ПМГ и тем самым уменьшить экономические затраты.

Полученные в диссертации результаты использовались в проектных работах предприятий ГУП ОКБ «Темп», ФГУП НИМИ, ОАО «Корпорация Тактическое ракетное вооружение», в исследовательских работах ФГУП НИИПМ, ГНУ «Научный центр порошкового материаловедения», ИРЭ РАН, ИХФ РАН, ИПХФ РАН и в учебном процессе кафедр РКТ и ТКА ПермГТУ.

ДОСТОВЕРНОСТЬ И ОБОСНОВАННОСТЬ.

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается:

1. Использованием основополагающих уравнений механики сплошных сред и теории горения газодисперсных систем, а также известных, проверенных на практике экспериментальных характеристик взаимодействия частиц ПМГ с активными газами.

2. Хорошим согласованием результатов расчёта и проведённых в работе экспериментов, а также их совпадением с данными других авторов.

3. Применением современных аттестованных приборов, проверенных и надежных средств измерения и регистрации, опробованных методик.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

1. Математическая модель горения частицы алюминия, учитывающая кинетику испарения и поверхностных химических реакций и созданная на её основе модель горения высокоскоростного потока полифракционной, сильно переобогащённой алюминиево-воздушной смеси.

2. Результаты теоретических исследований влияния параметров на характеристики горения частицы алюминия и образующегося оксида. Результаты численного моделирования процессов горения переобогащённой аэровзвеси порошка алюминия (коэффициент избытка воздуха, а < 1).

3. Способ организации воспламенения и горения порошков металлов в воздушном потоке и созданную в соответствии со способом математическую модель, описывающую процессы горения в реактивных и технологических установках на ПМГ.

4. Результаты, полученные при испытании экспериментальной установки для исследования процессов воспламенения и горения порошков металлов в воздушном потоке.

5. Обоснование работоспособности схемы ПВРД ПМГ, его основных систем и элементов конструкции, определение оптимальных параметров ПВРД ПМГ.

6. Математическое моделирование процессов в экспериментальном, низкотемпературном газогенераторе (НТГГ) для натурной системы подачи ПМГ и результаты его испытаний.

7. Результаты испытаний экспериментальной технологической установки для исследования процесса получения дисперсного оксида при сжигании порошка алюминия в воздушном потоке.

8. Метод получения ультрадисперсного оксида с заданными свойствами посредством сжигания порошка алюминия в воздушном потоке.

9. Схема ракетных двигателей КЛА на ПМГ и внеземных окислителях. Рекомендации к проектированию систем и элементов смесеобразования, воспламенения и горения двигателей КЛА на ПМГ.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ Разработанные принципы организации внутрикамерных процессов, созданные математические модели, спроектированные экспериментальные установки, методики исследований и полученные в результате исследований расчётные и экспериментальные данные использованы:

— при проектировании прямоточного воздушно-реактивного двигателя на порошкообразном алюминии;

— при проектировании газогенераторной системы для ПВРД;

— в исследовании возможности создания генератора энергонесущего газа на ПМГ для газодинамического лазера;

— при проектировании технологической установки для синтеза ультрадисперсного оксида алюминия методом сжигания аэровзвесей порошков металлов;

— при получении опытной партии ультрадисперсного сферического оксида алюминия на спроектированной технологической установке;

— в учебном процессе кафедр РКТ и ТКА Пермского государственного технического университета.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ: Результаты диссертационной работы докладывались на: 1-У Всесоюзной школе — семинаре по горению дисперсных систем. Одесса, ОГУ, 1981, 1983, 1985, 1987, 1989 г. г.

II Всесоюзной конференции по проблеме двигательных и энергетических установок летательных аппаратов. Москва, МАИ, 1981 г.

— VII, IX и XIII Симпозиуме по горению и взрыву. Черноголовка, 1983 г., Суздаль, 1989 г. и Черноголовка, 2005 г.

IX Научных чтениях, посвящённых разработке творческого наследия и развитию идей Ф. А. Цандера. Уфа, УАИ, 1985 г.

— I — IV Международной конференции по внутрикамерным процессам и горению в установках на твердом топливе и ствольных системах. Москва.

ICOC 93), 1993 г., Санкт-Петербург (ICOC 96), 1996 г., Ижевск (ICOC 99), 1999 г., Москва (ICOC 2002), 2002 г.

— совместном Семинаре Российской и Японской секций Международного института горения. Черноголовка, 1993 г.

— Международной конференции по горению (Мемориал Я.Б. Зельдовича). Москва, 1994 г.

— I, IV Международной школе-семинаре: Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем. Санкт-Петербург, 1995, 2004 г. г.

— Международном коллоквиуме по перспективным аналитическим и расчетным методам в теории горения. Москва, 1997 г.

— IV — IX Всероссийской научно-технической конференции: Аэрокосмическая техника и высокие технологии. Пермь, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006 г. г.

— IX Всероссийской конференции: Исследование, проектирование и отработка регулируемых энергоустановок. Уфа, 2001 г.

— Всероссийской конференции: Процессы горения и взрыва в физикохимии и технологии неорганических материалов. Москва, 2002 г.

— Международной конференции SPACE'2003: Ракетные двигатели и проблемы их применения для освоения космического пространства. Москва-Калуга, 2003 г.

— European combustion meeting (ЕСМ 2003). Orleans, France, 2003.

— Topical meeting of the European ceramic society (NNN2004). S.-Petersburg, Russia, 2004.

— Международной научно-практической конференции по перспективным композиционным материалам: Нанокомпозиты — 2004. Сочи, 2004 г.

— Международной конференции SPACE'2006: Космический вызов XXI века. Новые материалы и технологии для ракетно-космической техники. Севастополь, 2006 г.

ОБЪЁМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературыизложена на 311 страницах, содержит 68 рисунков и 14 таблицсписок литературных источников включает 245 наименований.

ВЫВОДЫ.

1. Предложено прямое использование в качестве внеземного компонента топлива (окислитель) реактивных двигателей посадочных ступеней космических аппаратов воды и азота.

2. Проведённый анализ показал, что большую перспективу использования в двигателях космических аппаратов имеет вода. Во-первых, она наиболее распространена на поверхности тел Солнечной системы. Во-вторых, по отношению к металлам водяной пар является достаточно активным окислителем. В-третьих, водяной пар и особенно продукт его реакции с металлами (водород) являются также высокоэффективным рабочим телом реактивного двигателя, что приводит к высокому термодинамическому значению удельного импульса тяги 35р двигателя на топливе Ме — Н20 (удельный импульс топлива А1 — Н20 в пустоте достигает значения 3 кН-с/кг).

3. При полёте в азотной атмосфере спутника Сатурна Титана наибольшим преимуществом обладают летательные аппараты с прямоточным реактивным двигателем на боровом горючем. В этом случае при скорости аппарата равной 600 м/с удельная тяга двигателя может достигать значений 14. 16 кН-с/кг.

4. Проведены расчёты массовых характеристик посадочной ступени космического аппарата для исследования Марса и спутников Юпитера, на котором двигатель на топливе А1 — Н20 или А1 — С02 используется на первой ступени и двигатель на транспортируемом с Земли топливе — на второй ступени. Показано, что исследовательский аппарат может выполнить на космических объектах программу исследований, включающую получение образцов из трёх областей на их поверхности и последующую доставку капсулы с образцами на Землю. Доказано, что это возможно только при использовании аппарата с двигательной установкой, запасающей часть рабочего тела на исследуемых объектах.

5. Особенностью предлагаемых топлив является высокое содержание конденсированной фазы в продуктах сгорания. Потери на двухфазность можно значительно уменьшить, если перевести к-фазу в ультрадисперсное состояние (размер частиц < 0,5 мкм). Такого эффекта в предлагаемом двигателе можно добиться особыми методами организации внутрикамерных процессов (в соответствии с рекомендациями, описанными в гл.7).

6. Анализ возможных схем двигательных установок на внеземных окислителях показал, что двигатель на порошкообразном металлическом горючем является наиболее оптимальным вариантом. На основании полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана схема ракетного двигателя космического аппарата на ПМГ и внеземных окислителях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе даны ответы на многие вопросы (в первую очередь по организации рабочего процесса в установках на ПМГ) и нашли своё решение основные, поставленные в первой главе задачи.

1. Создана математическая модель воспламенения и горения частицы алюминия в потоке активных газов, учитывающая кинетические ограничения процессов. Проведённые по модели расчёты показали: а) в отличие от уже существующих предложенная модель адекватно описывает процессы образования оксида, расчет доли оксида, накопившегося на частице, хорошо согласуется с опытными даннымиб) модель хорошо описывает и объясняет экспериментальные зависимости времени горения частиц алюминия от их размера и основных параметров потока (скорости, температуры, давления и содержания окислителя) — в) в созданной модели получают ясную интерпретацию некоторые известные экспериментальные факты горения частиц алюминия, связанные с образованием оксида (асимметричность горения, распад частицы на отдельные капли, появление полых сфер в продуктах сгорания).

На основе этой модели разработана математическая модель горения в высокоскоростном потоке полифракционной аэровзвеси частиц алюминия, впервые учитывающая кинетику и неравновесную термодинамику процессов горения, как на поверхности частиц, так и в объёме потока. Модель позволяет рассчитывать горение сильно переобогащённой алюминиево-воздушной смеси. Выполненные расчеты горения промышленных порошков алюминия АСД-1 и АСД-4 показали: а) горение аэровзвеси частиц алюминия протекает в условиях сильной температурной, скоростной и химической неравновесностиб) после сгорания всех частиц при, а < 1 значительная доля алюминия находится в газовой фазе в виде субоксида А120, поэтому сумма долей крупно дисперсного и ультрадисперсного оксида не равна 1- в) доля субоксида АЮ, образовавшегося на поверхности частиц, незначительна, и ее практически можно не учитыватьг) доля субоксида АЮ, образовавшегося в объеме потока также незначительна (много меньше доли пара А1 и А120) и её необходимо учитывать только при а= 0,7. 1,2.

2. Разработан новый способ организации внутрикамерных процессов в двигательных и технологических установках на ПМГ и методы исследования таких процессов: а) предложены новые принципы организации процессов в двигательных и технологических установках на ПМГ (регулируемой подачи и распыления металлических порошков в воздушном потоке, сжигания металловоздушной смеси, защиты стенок камеры от воздействия высокотемпературного двухфазного потока с высокой концентрацией конденсированной фазы) — б) разработан способ сжигания порошков металлов в воздушном потоке, учитывающий важнейшие особенности горения металловоздушных смесей без применения специальных механических устройств (решётки, плохообтекаемые тела, уступы и т. п.), вызывающих аэродинамическую рециркуляцию двухфазного потокав) предложен метод улавливания конденсированной фазы из высокотемпературного потока продуктов сгорания установок на ПМГ, который позволяет выделить целевой продукт, полученный в технологических установках (дисперсные оксиды металлов), решить исследовательские задачи и устранить ряд экологических проблем.

В соответствии с разработанным способом организации сжигания ПМГ создана математическая модель, которая позволяет детально изучить процесс воспламенения и горения полифракционной аэровзвеси частиц металлов применительно к условиям работы камеры сгорания двигательных и технологических установок на ПМГ.

3. На основе учета особенностей горения металловоздушных смесей создана экспериментальная установка, позволяющая исследовать в широком интервале параметров воспламенение и горение металлических порошков и синтез порошкообразных оксидов металлов. Испытания экспериментальной установки с использованием алюминиевых порошков (АСД-1 и АСД-4) и субмикронного порошка бора марки Б-99 показали: а) возможность длительного функционирования установкиб) воспламенение и устойчивое горение алюминиево-воздушной смеси в широком интервале значений параметров: давление -0,1. 1,0 МПа (алюминий), 0,3. 1,0 МПа (бор), коэффициент избытка воздуха 1. 10- в) устойчивость горения алюминиево-воздушной смеси полностью определяется устойчивостью процессов в форкамере, зависит от параметров первичного потока и не зависит от параметров вторичного потокаг) стабилизация пламени в первичной смеси была достигнута при низких значениях коэффициента 0,04. 0,3 (алюминий), 0,06. 0,15 (бор) и низкой среднеобъёмной скорости холодного потока аэровзвеси порошков АСД-1 1. 2 м/с, АСД-4 1. 40 м/с и Б-99 1. 8 м/с-, д) эффективность сжигания алюминиево-воздушной смеси возрастает с увеличением давления в камере сгорания, уменьшением размера частиц и увеличением скорости подвода вторичного воздуха в поток горящей аэровзвеси.

4. Разработаны, обоснованы и подтверждены схема и проектные концепции регулируемого ПВРД ПМГ, его основных систем и элементов: регулируемой подачи и распыления ПМГ, первичного смесеобразования и воспламенения смеси, вторичного смесеобразования и сжигания смеси, защиты от теплового и эрозионного воздействия конструкции форкамеры и камеры сгорания и предотвращения отложения частиц к-фазы на их поверхность.

Создан экспериментальный низкотемпературный газогенератор с порошкообразным емкостным охладителем для системы подачи ПМГ.

Разработана математическая модель, описывающая процессы теплообмена, конденсации и испарения при фильтрации продуктов сгорания газогенератора через порошковый материал. Проведено более 100 испытаний низкотемпературного газогенератора (температура газа не превышала 500 К, а время работы в отдельных испытаниях достигало 360 с).

Сравнением результатов расчёта и эксперимента по определению внутрикамерных параметров установки сжигания ПМГ, уточнены кинетические характеристики математической модели горения потока аэровзвеси полифракционного алюминия. По уточнённой модели проведены расчёты влияния давления на коэффициент камеры в экспериментальной установке по сжиганию адюминиево-воз душной смеси. Хорошее согласование экспериментальной и расчётной зависимостей указывает на адекватность описания внутрикамерных процессов при использовании предложенной в работе модели горения аэровзвеси порошка алюминия (с уточнёнными кинетическими коэффициентами).

5. На основе разработанного автором способа сжигании аэровзвеси металлов и результатов расчетов влияния параметров окисляющей среды на процесс образования оксида, создана экспериментальная технологическая установка, позволяющая получать дисперсный оксид алюминия с разными свойствами. В результате испытаний экспериментальной установки определены и получены: а) устойчивая и эффективная работа технологической установки в широком диапазоне рабочих параметровб) высокая производительность установкив) возможность в широких пределах изменять свойства образующегося оксида (в соответствии с выше указанными результатами расчетов) — г) возможность выделения широкого спектра частиц конденсированной фазы из высокотемпературного двухфазного потока продуктов сгорания.

6. Предложено прямое использование воды и азота в качестве внеземного компонента топлива (окислитель, рабочее тело) реактивных двигателей космических аппаратов. На основании полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана схема ракетного двигателя космического аппарата на ПМГ и внеземных окислителях. Предложены методы организации рабочего процесса в таком двигателе, обеспечивающие надёжное воспламенение и горение ПМГ в смесях с С02, Н20, К2, а также позволяющие существенно уменьшить двухфазные потери.

Настоящая работа и представленные в ней результаты исследований не решают, разумеется, всех проблем и задач, связанных с внутрикамерными процессами в двигательных и технологических установках на порошкообразных металлических горючих.

Несмотря на то, что в воздухе содержится около 80% азота, в математических моделях горения алюминия, рассмотренных автором, непосредственно не учтена реакция азотирования металла, которая экспериментально подтверждена в данной работе и во многих других работах [9, 76 — 78]. Огневые стендовые испытания экспериментальной установки сжигания металлических горючих показали надежное воспламенение и устойчивое горение металловоздушных смесей в широком диапазоне изменения параметров, в том числе при очень низких коэффициентах избытка воздуха, а (для алюминия — 0,04, для бора — 0,06), что указывает на наличие реакции взаимодействия металла с азотом.

При значениях коэффициента, а = 0,2. 0,4 эффективный учёт азотирования позволяет получить удовлетворительное совпадение расчёта с экспериментом. Без учёта азотирования расчётные и экспериментальные зависимости сильно отличаются. Однако при значении, а < 0,2 требуется более точный учёт реакции образования нитрида (определение и непосредственное включение скорости реакции азотирования, в том числе её кинетики, в систему уравнений), который в данной работе не выполнен. В этом направлении требуются дальнейшие исследования.

Предварительные оценки показывают также широкие возможности предложенного метода синтеза ультрадисперсных порошков. В свете такой оценки открывается большая область научных изысканий, которые должны быть направлены на дальнейшее развитие и совершенствование предлагаемой технологии.

По теме диссертации получено 10 авторских свидетельств на изобретение и 1 патент на изобретение [199], опубликованы 1 монография [226] и 58 других работ [10,11,13,15 — 17,33 -35,41 -43,45,145, 146, 151 -153, 155- 158, 178, 186, 189, 191, 192, 200, 209,210,218−221,223,225, 227−245].