Эмпирические зависимости для скорости горения ЭМ и ТРТ.

Эти зависимости нужны для расчета (проектирования) устройств, использующих ЭМ или ТРТ, например ракет и газогенераторов на твердом топливе или артиллерийских орудий (и стрелкового оружия).

3.4.3.1. Зависимость от давления. Для успешной работы перечисленных устройств необходимо давление в камере сгорания ракеты или газогенератора от 40 до 200 атм, а в орудиях максимальные давления превышают 3000 атм. Поэтому ЭМ и ТРТ сжигают в так называемых манометрических бомбах: модельных устройствах, позволяющих создавать такие давления и при этом измерять время сгорания образца ЭМ или ТРТ.

Рис. 27. Схема манометрической бомбы

Обычно используют образец в виде небольшого цилиндра, боковая поверхность которого покрыта негорючим составом. К верхней торцевой поверхности образца подведена (через специальную пробку из изолятора) спираль накаливания, на торцевой поверхности тоже может быть приклеен тонкий проводник со своими выводами наружу. Бомбу заполняют до требуемого давления инертным газом и подают напряжение на спираль накаливания, время подачи напряжения фиксируется. Образец при этом зажигается с торца и затем сгорает практически при постоянном давлении. Когда горение доходит до нижнего торца, приклеенный там тонкий проводник перегорает, проходивший до этого через него слабый ток прекращается, и время этого прекращения (время конца горения) также фиксируется приборами. Поскольку высота образца известна, деление ее на разность времен дает скорость горения v_w исследуемого материала при заданном давлении P. Повторяя опыты при других давлениях, получают зависимость v_w(Р). Типичный ее вид изображен на рис. 28.

Рис.28. Характер зависимости v_w(Р) для ЭМ и ТРТ

Для высоких, «артиллерийских» давлений зависимость близка к линейной; в «ракетном» диапазоне давлений она хорошо аппроксимируется зависимостью v_w = v₁(P / 1 атм)ⁿ,n < 1 (50)

3.4.3.2. Зависимость от начальной температуры. На работу ракетного двигателя, газогенератора или огнестрельного оружия влияет погода: начальная температура Т₀ заряда меняется (хотя и с некоторым запаздыванием) вместе с температурой окружающей среды. Температура заряда твердотопливного газогенератора системы катапультирования летчика определяется аэродинамическим нагревом и может сильно меняться в зависимости от режима полета. «Перебор» по скорости сгорания может вызвать недопустимую перегрузку при срабатывании системы. Зависимость скорости горения от Т₀ получают на той же манометрической бомбе, помещая ее перед опытом целиком вместе с образцом в термостат с заданной температурой (на время, достаточное для полного прогрева). Считается, что в аппроксимационной формуле (50) показатель практически не зависит от Т₀ (хотя есть исключения), зависимость от Т₀ получают обычно для коэффициента v₁ и аппроксимируют чаще всего гиперболой

v₁ = A / (B – T₀) (51)

3.4.3.3. Зависимость от обдува. Во многих случаях в ракетах и в артиллерийских орудиях используются заряды в виде длинной трубки (или пучка трубок). При горении такого заряда часть его поверхности подвергается обдуву продуктами сгорания «от других частей» этого же заряда. Слишком большие скорости обдува в двигателе могут вызвать изменение формы заряда из-за разных скоростей горения разных участков и как результат нерасчетный режим работы двигателя. Эффект изучают в специальных модельных установках, где образец ТТ сжигают в контролируемых условиях (при заданных значениях скорости обдува, давления, начальной температуры) и измеряют скорость горения. Типичный вид зависимости показан на рис.

Рис. 29. Влияние обдува на скорость горения.

Зависимость положительная и появляется только начиная с некоторой скорости обдува, которую принято называть пороговой. Но иногда (штриховая часть рисунка) скорость горения при небольших скоростях обдува становится меньше, чем без обдува. Возможное объяснение см. в п. 3.4.6. Вначале считали, что влияние обдува на скорость горения – чисто механическое (капельный унос тонкого расплавленного слоя с поверхности). Появился термин «эрозионное горение», используемый до сих пор для горения при обдуве, хотя давно выяснилось, что влияние обдувающего потока – не механическое, а тепловое: при большой скорости обдува турбулентность увеличивает тепловой поток из горячего газа на поверхность, что ведет к увеличению скорости горения.

3.4.3.4. Влияние перегрузок. На практике большие ускорения (в сотни и в тысячи раз превышающие ускорение силы тяжести) горящее ТТ может испытывать в так называемом активно-реактивном снаряде. Если его ракетный двигатель начинает работать еще в стволе орудия, до вылета действует большая осевая перегрузка. Если орудие нарезное (или при гладком стволе снаряд турбореактивный, то есть раскручивающийся за счет реактивной силы), то на горящую поверхность действует и радиальная перегрузка («центробежная сила»).