Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №12 - Журнал «Домашняя лаборатория»

при увеличении давления с 1 до 150 кгс/см2 скорость горения увеличивается в 3…4 раза. Из этого следует, что при горении стих составов осуществляются реакции в газовой фазе или на поверхности раздела фаз. Существуют и составы, для которых скорость горения не зависит от давления. Термит Сr2O3 + Аl горит с одинаковой скоростью, равной 2,4 мм/сек, как при 1 кгс/см2 так и при 100 кгс/см2. Из этого следует вывод, что в данном составе реакция от начала до конца протекает в конденсированной фазе. По-видимому, такие составы обладают способностью гореть и в абсолютном вакууме при комнатных температурах.

При горении составов, дающих при сгорании большое количество газов, в замкнутом или полузамкнутом объеме создается большое давление, скорость горения из-за увеличения теплопередачи значительно возрастает, горение становиться весьма бурным и может перейти во взрыв. Наиболее часто такое прогрессивное ускорение горения в оболочке, заканчивающееся взрывом, наблюдается в пиротехнических хлоратных и перхлоратных составах. В большинстве ТРТ предельное максимальное давление для устойчивого горения до перехода во взрыв составляет более 350 кгс/с2, и это обстоятельство не создает трудностей при конструировании РДТТ, где среднее рабочее давление не более 70 кгс/см2.

К сожалению, из-за недостатка места в данном упрощенном труде нет возможности более или менее подробно описать теорию горения и, в частности, зависимости скорости горения от множества не описанных здесь факторов. Теория горения разработана далеко не полностью, пример — теория которую предложил 3.И. Фур. Согласно этой теории, прогрев конденсированной фазы происходит не за счет теплопередачи от пламени, а за счет тепла химических реакций, протекающих в поверхностных слоях горящего заряда и теплопроводности пиросоставов. Увеличение скорости горения от повышения давления объясняется так. Температура на поверхности горящего заряда, от которой зависит скорость реакции в поверхностных слоях, определяется степенью расширения газов, образующихся при горении. При повышении давления степень расширения газов уменьшается, температура их повышается и скорость горения увеличивается. Величина показателя степени n в законе Вьеля, согласно теории Фура, оказывается связанной не с порядком химической реакции, как это рассматривается в теории Я.Б. Зельдовича, а с показателем адиабаты расширения продуктов сгорания. Эта теория объясняет, например, механизм горения некоторых ТРТ и ВВ в вакууме и другие стороны этого процесса.

В заключение необходимо отметить, что скорость горения прессованных зарядов увеличивается при наличии в них трещин и пор, это связано с увеличением площади горения в связи с проникновением пламени по трещинам и порам к глубоким слоям заряда, воспламенением их, отрывом кусков топлива, дальнейшему росту трещин и так далее, вплоть до увеличения давления до критического и переходу его во взрыв.

Влияние теплообмена

Интенсивность теплообмена с окружающей средой также отражается на скорости горения пиросоставов. В связи с этим скорость горения в узких каналах (трубках) должна быть несколько меньше, но в узких каналах в большей мере затрудняется отток газов, создается избыточное давление, особенно, в случае быстрогорящих составов, и поэтому уменьшение скорости горения наблюдается не всегда. При очень малых диаметрах теплопотери становятся настолько велики, что состав вообще теряет способность к распространению горения. Величина предельного диаметра горения, зависит от целого ряда факторов: материала и толщины стенки трубки или канала, рецепта и плотности состава, начальной температуры и давления. Как правило, чем больше тепла выделяется при горении состава в единицу времени, то есть чем быстрее горит состав, тем меньше для него значение минимального диаметра. В связи с теплопотерями в окружающее пространство следует разобрать вопрос о минимально возможной скорости горения. Осуществить при нормальных условиях температуры и давления процесс горения имеющий очень малую скорость (примерно 0,001 мм/сек), по-видимому, невозможно по той причине, что в следствии малого теплоприхода в единицу времени и относительно больших теплопотерь в окружающее пространство не удается создать той значительной разности между температурой в газовой и конденсированной фазах, которая является одной из самых характерных черт процесса горения.

Одной из самых медленно горящих смесей является смесь из 96 % NH4NO3 и 4 % древесного угля, горящая при давлении 1 кгс/см2 и температуре 20 °C (р = 0,94 г/см3) со скоростью V = 0,08 мм/сек.

Принимаем приближенно объем газов, образующихся при горении смеси v = 700 см3/г и температуру горения 900°К, получаем скорость течения газов в пламени, а следовательно, и скорость их горения равной: U' = 0,008∙700/293 = 17 см/сек. Эта цифра близка к скорости горения самых медленно горящих газовых смесей. Я.Б. Зельдович указывает, что минимально возможная при нормальных условиях скорость горения газовой смеси СО + О2 должна составлять около 2 см/сек. Из этого следует, что минимально достигнутая скорость горения может быть еще более снижена, возможно в смесях карбонилов металлов и легкоразлагаемых окислителей.

Влияние плотности

Увеличение плотности состава сильно уменьшает скорость горения большинства составов. Особенно сильно сказывается влияние плотности на характер горения фотосмесей — 1 кг фотосмесей в порошкообразном состоянии сгорает в течении десятых долей секунды, а время сгорания такого же количества смеси, спрессованного под давлением около 1000 кгс/см2, выражается уже несколькими десятками секунд.

Зависимость скорости горения одного из осветительных составов от давления прессования выражается цифрами:

Давление прессования (кг/см2): 1000 ∙ 2000 ∙ 3000 ∙ 4000

Скорость горения состава (мм/сек): 5,0 ∙ 4,2 ∙ 3,8 ∙ 3,6

Увеличение давления прессования выше 3000 кгс/см2 уже сравнительно мало отражается на плотности состава, а следовательно, и на скорости его горения.

Влияние плотности состава на скорость горения объясняется тем, что с увеличением плотности состава уменьшается возможность проникновения горячих газов внутрь состава по порам, и, тем самым, замедляется процесс прогрева и воспламенения более глубоких слоев. Следует заметить, что существуют малогазовые составы, увеличение плотности которых способствует передаче тепла в конденсированной фазе, и скорость горения их даже немного увеличивается с увеличением плотности. Установление зависимости скорости горения от плотности составов в значительной мере способствует выяснению в каждом отдельном случае вопроса о том, насколько большую роль при горении состава играют процессы, протекающие в конденсированной фазе.

Влияние измельчения компонентов

Измельчение компонентов в значительной мере способствует увеличению скорости горения пиросоставов. Особенно сильно влияет на скорость горения, степень измельчения и форма частиц входящего в составы алюминия. Составы на алюминиевом порошке горят в несколько раз медленнее, чем составы, изготовленные на алюминиевой пудре.

Фактические материалы

Наиболее быстрогорящими составами при сильном уплотнении (К >= 0,85) в условиях атмосферного давления и обычной температуры 20 °C являются двойные смеси нитратов щелочных и щелочно-земельных металлов с магнием, содержащие 50…60 % магния, а также смеси с цирконием