Процесс горения ТРТ

 

Если физические условия во всех точках горящей поверхности одинаковы и топливо однородно, то горение происходит равномерно, параллельными слоями.

Начальное воспламенение твердого топлива вызывается тепловым импульсом обычно с помощью специального воспламенителя. При прогреве определенного слоя у поверхности и при температуре поверхности выше некоторого критического значения, первоначально достигаемой с помощью воспламенителя, начинаются самоускоряющиеся химические превращения топлива. Эти превращения являются экзотермическими и приводят к разогреву продуктов реакций. Между продуктами сгорания и не прореагировавшим топливом возникает теплообмен, обеспечивающий дальнейшее протекание процесса без участия воспламенителя.

Собственно горение представляет собой процесс распространения реакции от поверхностных слоев вглубь заряда. Разложение и газификация твердых топлив протекают в общем случае с различными скоростями и зависят от природы компонентов. Реакции между газифицированными горючим и окислителем могут определяться процессом диффузии и смешения или кинетикой химических реакций, или тем и другим в зависимости от давления, температуры, размеров зерен окислителя и других факторов. При наличии алюминия представляет интерес процесс сгорания частиц металла. Исследования показывают, что на поверхности горящего топлива частицы алюминия плавятся и сливаются в более крупные. Специфической стадией горения топлив является процесс разложения и газификации твердой фазы. Этот процесс существенно зависит от интенсивности теплопередачи к поверхности твердого топлива. Все факторы, увеличивающие теплопередачу, ускоряют разложение и газификацию поверхностного слоя.

Ускорение процессов в поверхностном слое и в газовой фазе означает увеличение линейной скорости горения твердого топлива. На основании вышеизложенного, можно заключить, что скорость горения должна зависеть от природы топлива, давления, при котором осуществляется горение, температуры топлива, скорости движения газа вдоль поверхности горения и других факторов, воздействующих на скорость реакций в конденсированной или газовой фазе.

При горении твердого ракетного топлива в РДТТ происходят следующие процессы:

- преобразование в камере двигателя химической энергии топлива в энтальпию газового потока;

- преобразование в канале сопла энтальпии газового потока в кинетическую энергию истекающей струи;

- сложный теплообмен (теплопроводность, конвекция и тепловое излучение) между продуктами сгорания топлива, стенками корпуса и соплового блока РДТТ.

Схема процесса горения представляется в следующем виде. Источник воспламенения выделяет достаточное количество тепла для возникновения процесса горения, которое в дальнейшем поддержи­вается самим ходом процесса. Топливо на торцовой поверхности разла­гается и испаряется, размягчаясь или переходя через жидкую фазу. Реакции в твердом топливе (пиролиз, сублимация) в этой стадии чаще экзотермические, поэтому температура продуктов разложения повы­шается. На рис.2.1. вертикаль 1—1 соответствует границе условно твердой поверхности. На самом деле на небольшой глубине от поверх­ности 1—1топливо постепенно включается в процесс разложения. Из-за малой теплопроводности топ­лива в реакцию газообразования включается очень тонкий слой топ­лива толщиной порядка 0,1 мм и даже меньше. Следовательно, основ­ная масса топлива сохраняет свою начальную температуру Т_нач и только в тонком слое у поверхности горения эта температура посте­пенно растет до величи

ны Т_s—условной температуры на поверхности 1—1, принимаемой за границу твердой фазы.

К поверхности 1—1 примыкает зона I, в которой протекает разло­жение топлива и переход из твердой фазы в жидкую и парогазовую. В зоне I, таким образом, имеются вещества переменного агрегатного состояния и с переменной температурой. Протяженность этой зоны l₁. Температура продуктов растет до величины Т₁ из-за выделения тепла при реакции разложения.

 

Рис. 2.1.Зоны горения ТРТ в камере двигателя

 

 

За зоной I находится зона II протяженностью l₂, которая является зоной подготовки к горению. Здесь образуются активные продукты без выделения тепла, в связи с чем в зоне II температура Т₁ ≈ const. Ско­рость газообразования зависит от свойств топлива, от давления в каме­ре и от температуры продуктов горения. Зоны I и II не являются источниками теплового излучения.

Наконец, за зоной II начинается зона III — зона горения. В конце зоны III температура достигает максимального значения Т_к*, величина которой зависит от рода топлива. Зона III представляет зону пламени или зону све- чения.

Разложение топлива на поверхности и образование горючей газовой смеси является основной стадией процесса, определяющей скорость горения. Теплоотдача к поверхности топлива из зоны пламени тем выше, чем больше давление Р_к* в камере и температура Т_к*.

Общая протяженность не­светящихся зон I и II в значительной степени зависит от давления, а именно:

l₁+l₂≈К/Р³_к

где: К — постоянная, зависящая от марки топлива.

Следовательно, увеличение давления вдвое сокращает длину зон I и II в 8 раз и приближает зону пламени к поверхности твердого топ­лива.

При малых значениях Р_к* и Т_к* скорость газообразования мало зависит от притока тепла из зоны горения, а с дальнейшим уменьше­нием Р_к* зона пламени настолько отдаляется от поверхности твердого топлива, что внешний приток тепла становится практически ничтож­ным, и при некотором давлении сгорание прекращается, так как одной экзотермической реакции разложения оказывается недостаточно для самоподдержания процесса.

При высоком давлении зона пламени приближается к поверхности горения и приток тепла на поверхность топлива возрастает. В этом слу­чае, особенно при высоких Т_к*, скорость горения топлива возрастает, так как растет скорость разложения и газообразования топлива. Таким образом, при высоких Р_к* скорость горения определяется в большей мере величиной Т_к*, т. е. теплоподводом из зоны горения к поверхности топлива. При низких давлениях в камере фронт пламени дальше отсто­ит от поверхности твердого топлива; поэтому скорость горения меньше зависит от Т_к*.

Излучение тепла из зоны пламени оказывает влияние на скорость разложения топлива. Однако это влияние должно быть правильно использовано, иначе возможно вредное избирательное воздействие лучи­стой энергии на отдельные компоненты топлива. В результате могут образоваться трещины, приводящие к увеличению поверхности горения, к увеличению давления в камере и к разрушению заряда. Для устра­нения этого явления в твердое топливо добавляют непрозрачные для лучистой энергии вещества (например, газовую сажу).