Общие сведения об энергонасыщенных системах (ЭНС)

Бесплатно!

Дисциплина “Физико-химические процессы в энергонасыщенных материалах” посвящена изучению физико-химических процессов, протекающих в энергонасыщенных системах при работе этих систем. При изложении материала я буду исходить из того, что вы знакомы с основами теории горения и взрыва и  имеете общие представления о порохах, взрывчатых веществах, ракетных топливах в пределах тех курсов, которые читались вам в прошлом году. Достаточно подробно вас ознакомили с пиротехническими составами, топливами, смесями и теоретическими основами компоновки рецептур, технологией приготовления и переработки пиротехнических композиций.

Вместе с тем мне кажется необходимым в начале нашего курса вспомнить и обобщить некоторые сведения, а также уточнить или определиться с некоторыми  понятиями и терминами, что очень важно для понимания  рассматриваемого далее материала.

Во-первых, что относиться к ЭНС? Понятие ЭНС объединяет огромное количество технических систем специального назначения, в основе действия которых лежат процессы взрывчатого превращения специальных энергетических материалов (ЭМ). К таким  материалам относятся, в частности, пороха (дымные, пироксилиновые, нитроглицериновые); взрывчатые вещества (инициирующие и вторичные); ракетные топлива (баллиститные и смесевые) и многочисленные пиротехнические составы, топлива и смеси. По своей структуре ЭМ могут быть как гомогенными, так и гетерогенными.

ЭМ могут использоваться как в твердом, так и в жидком и в пастообразном состояниях. Пиротехнические составы (ПС), за редким исключением, это твердые гетерогенные системы, хотя в некоторых направлениях пиротехники получили распространение вязкотекучие смеси (термобарические составы, огнесмеси).

Под взрывчатым превращением ЭМ понимается самораспространяющийся, быстропротекающий физико-химический процесс перехода ЭМ в продукты горения или взрыва, сопровождающийся выделением тепла и рядом других явлений. Это определение довольно общее и объединяет все режимы горения и взрыва. Отличительной особенностью рассматриваемых нами ЭМ является наличие в них и горючих, и окислительных компонентов, а химические реакции между ними лежат в основе взрывчатого превращения. Причем процессы взрывчатого превращения могут происходить, как правило, без доступа внешнего окислителя, хотя обычно внешняя среда является активным участником этих процессов, особенно на стадии дожигания.

Следует отметить, что термин ЭМ наиболее полно подчеркивает их существо, выражающееся в определенном поведении по отношению к различным  внешним воздействиям и своеобразии ответных реакций, присущих только ЭМ. По своему агрегатному состоянию, совокупности физических, теплофизических, механических, электрических свойств ЭМ могут качественно не отличаться от других инертных материалов и даже в ряде случаев могут выполнять функции конструкционных материалов. Однако ЭМ обладают значительным запасом потенциальной химической энергии, которая может быть выделена, а затем и реализована только в определенных условиях. Для ЭМ режим энерговыделения определяет поведение системы, что сопровождается соответствующим изменением ее агрегатного состояния и различными внешними проявлениями. Особенностью изменения агрегатного состояния ЭМ является то, что вещество из твердого или жидкого состояния переходит преимущественно в газообразные продукты взрывчатого превращения. Обычно при этом образуются в тех или иных количествах конденсированные продукты (жидкие и твердые). В зависимости от режима энерговыделения и динамики фазового перехода продукты взрывчатого превращения называют продуктами горения или продуктами взрыва, а в особых случаях продуктами детонации.

Режим ВП подразумевает совокупность взаимосвязанных, физико-химически обусловленных процессов, целенаправленно реализуемых в ЭМ. Тот или иной режим ВП нельзя рассматривать в отрыве от природы и назначения ЭМ, условий инициирования и внешних ограничений, в которых этот режим реализуется. Общим для всех режимов в конденсированных системах является выделение энергии и фазовый переход. Однако механизм перехода, определяющие факторы, пространственно-временная газодинамическая картина течения существенно различаются. Обычно выделяют следующие основные режимы ВП:

– нормальное послойное горение (НГ) – горение, распространяющееся с постоянной скоростью с неизменным профилем температуры и концентрации ПГ. Это режим стационарного горения;

– нестационарное послойное горение (НСГ) – горение, распространяющееся с изменяющейся скоростью горения, переменным профилем температуры и концентраций, но с сохраняющимся механизмом теплопередачи, преимущественно за счет теплопроводности. Этот режим характерен для случаев, когда изменяются по какой- либо причине внешние условия;

– конвективное горение (КГ) – разновидность горения твердых ЭМ, обладающих газодинамической пористостью. Процесс ведется струями газообразных продуктов горения. Конвективное горение возникает при достижении давления срыва нормального горения Ркр;

– низкоскоростная детонация (НСД) – частный случай преддетонационного волнового процесса, когда имеет место волновой процесс с малой долей разложения непосредственно за фронтом волны сжатия;

– нормальная детонация (НД) – сверхзвуковой стационарный процесс, включающий ударную волну и химические реакции за ней.

Режимы ВП отличаются передачей энергии в направлении распространения и механизмом инициирования химической реакции в фронте процесса. Практическую ценность в большей степени представляют два предельных по своей физической сущности процесса: послойное горение и нормальная детонация. Если процесс послойного горения для различных ЭМ и условий горения, в первую очередь внешнего давления, может происходить со скоростями от долей мм/с до 1 м/с, то детонационный процесс обычно протекает со скоростями, превышающими 1 км/с. Обычно принято любой процесс по отношению к процессу с большими параметрами называть процессом «низкого» порядка.

Наиболее просто на практике реализовать стационарные режимы НГ и НД. Для НСГ, КГ и НСД необходимы специальные условия, диапазон которых относительно узок. Указанные процессы имеют склонность к переходу в более высокопорядковый режим или к затуханию, а поддержание КГ или НСД на стационарном уровне требует специальных условий. Иногда совокупность возможных режимов, занимающих по уровню параметров область между НГ и НД называют неполными взрывами, что, видимо, оправдано, так как указанным режимам присущи качества взрыва: высокий уровень параметров и большой выход рабочего тела.

Итак, в порядке возрастания мощности и уровня параметров, режимы располагаются в следующем порядке: НГ (НСГ) – КГ – НСД – НД. Приведенная ранжировка – это своеобразный природный, последовательный ряд режимов ВП, ИГ, и НД – предельные процессы ряда, ИСГ, КГ и НСД – промежуточные.

На практике преимущественно реализуются стационарные формы режимов, соответствующие определенному механизму подвода энергии при инициировании. Если не преследуются специальные цели, в ЭМ инициируют непосредственно требуемый режим ВП, а не рассчитывают на его развитие через низкопорядковые режимы.

Приведем физические факторы, определяющие режимы ВП.

Нормальное горение и его разновидность – нестационарное послойное горение, – механизм передачи энергии и распространения процесса определяется молекулярной теплопроводностью, волновые эффекты отсутствуют, внешние условия позволяют надежно управлять процессом;

Конвективное горение – процесс ведется фильтрацией горячих ПГ из зоны горения вглубь материала, роль волновых процессов существенна лишь в зоне горения, роль внешних условий в управлении параметрами режима ограничена.

Низкоскоростная детонация возбуждается и поддерживается слабыми волнами сжатия, генерирующими реакции в локальных областях (очагах), физико-механическая структура заряда является определяющим фактором, наличие оболочки способствует, а в ряде случаев и определяет возможность распространения процесса.

Нормальная детонация ведется совместным энерговыделением за счет локального и гомогенного разогрева за фронтом сильной ударной волны.

Физические аспекты, определяющие тот или иной режим ВП и последовательный переход одного режима в другой, иллюстрируется схемой, приведенной на рис. 1.

Рис. 1. Схема трансформации режимов ВП

Детонация является неким барьером, который по скорости достигает 10 км/с. Существуют ли режимы ВП за счет химических реакций, по своим параметрам лежащие между детонацией и внутриядерными процессами? На основе существующего опыта логично отрицать их возможность.

В основу этого заключения положен известный физический факт: если движущаяся материальная система используется для передачи энергии, то этот процесс имеет «энергетический барьер», который достигается, когда скорость передачи энергии приближается к критической величине. Так звуковой барьер в воздухе достигается, когда скорость среды превышает поступательные скорости молекул О2 и N2. «Детонационный барьер» достигается при повышении уровня скоростей вибрации атомных связей во взрывчатом веществе (связи С-Н; О-Н; N-Н). В пользу существования «детонационного барьера» можно привести довод, в силу которого детонационный фронт, движущийся со скоростью 8–9 км/с, проходит межатомные расстояния за 10-13с. Константа скорости разложения ВВ также составляет 10-13с. Так как нет другой системы передачи энергии, кроме вибрационного движения атомов, то детонация не может разлагать ВВ со скоростью более определенного предела (107кг/с м2).

Для ракетных топлив, порохов, ВВ и некоторых пиротехнических составов и топлив характерны высокие уровни плотности и мощности энерговыделения, в связи с чем газообразные продукты горения и взрыва приобретают большой запас внутренней и кинетической энергии, которая впоследствии, а в ряде случаев в процессе энерговыделения, расходуется на совершение работы (взрыв, создание реактивной тяги, действие исполнительных механизмов и др.). Однако в практических целях используются не только эти свойства энергетических материалов. Сказанное относится, в первую очередь, к пиротехническим составам и топливам. Это особая группа энергетических материалов, отличающихся от остальных видов  и даже между собой рецептурой, свойствами, технологией приготовления и переработки, а также составом и свойствами продуктов горения и взрыва. Эти особенности обуславливают и предопределяют разнообразие объектов применения пиротехнических составов.

И так, еще раз вспомним, какими эффектами и явлениями сопровождаются в общем случае процессы ВП ЭМ (рис. 2).

Рис.2. Основные эффекты и явления, сопровождающие процессы ВП ЭМ

Первое, это выделение тепла, процессы горения и взрыва экзотермические.

Второе, образование газообразных и конденсированных высокотемпературных продуктов горения.

В третьих, это излучение в широком диапазоне длин волн. Инфракрасное излучение. Излучение в видимой области спектра, причем могут быть яркие линии и полосы монохроматического излучения. Ультрафиолетовое излучение.

В четвертых, взрыв сопровождается возникновением ударных волн.

В пятых, в волне горения и в пламени происходят электрофизические явления.

6. В основе горения лежат химические процессы. Поэтому горящий образец можно рассматривать как химический реактор для получения определенных продуктов.

Эти эффекты и явления, перечень которых можно еще дополнять, используются в ЭНС как в мирных, так и в военных целях.

Детали:

Формат файла(-ов): doc

Тип работы: Лекции

Предмет: Физика

Svg Vector Icons : http://www.onlinewebfonts.com/icon Из сборника: Конспект Физико-химические процессы в энергонасыщенных материалах

Год написания: 2010

Скачать бесплатно файл

Добавить комментарий

Ваш email не будет показан.

Получать новые комментарии по электронной почте. Вы можете подписаться без комментирования.