Регулирование расходных характеристик газогенераторов установок пожаротушения

1. Скомпонованы рецептуры низкотемпературных «безазидных» составов на основе нитрата калия, солей ДНА, обеспечивающие нетоксичные, пожаровзрывобезопасные газы (Н₂О, СО₂, N₂).

2. Удельная газопроизводительность таких составов находится на одном уровне с азотгенерирующими составами на основе азида натрия.

3. Такие составы могут успешно использоваться в газовом пожаротушении, подъеме грузов из под воды, кратковременном наддуве эластичных оболочек, где время поддержания давления ограничено долями и единицами секунд.

А.S. Zharkov, B.V. Pevchenko, R.G. Nikitin, L.А. Pilyugin

The work presented is devoted to creating compositions for low-temperature gas generators (LTG) nontoxic, explosion-hazard mixed with gases of air. The main advantage, apart from the above-mentioned, was to obtain the temperature of gases generated not more than 373 K (100^oС).

The field of application of such generators is quite extensive. The detailed review of possible fields of application of solid propellant cold gas generators was presented at the Conference HEMs-2009, France. Here are shown only the main of them (Figure 1).

Compositions and constructions of LTG to obtain individual gases: Oxygen and Nitrogen with high purity (up to 99 vol. %) and a low temperature (less than 373K (100^o С)) have been developed at JSC FR & PC ALTAI recently. If practically there are no problems with oxygen generators and we are ready, on obtaining specific tasks, to start their production and delivery to the companies interested in them, some problems have arisen with nitrogen generators.

The main of them is the use of rather toxic Sodium Azide as raw component, as its application abroad is strongly prohibited. In connection with this it was decided to start developing a low-temperature composition and charges on the base of other components, one of the foreground tasks being to obtain on burning such combustion products that had no toxic and explosion-hazard gases.

The theory and practice of generating cold gases created before was considered to be the base for developing the so-called azide-free compositions.

The diagram of burning down the similar charges does not differ from the diagram based on Sodium Azide, i.e. porous charge shapes, ignites from the front end, combustion products outflow through a porous body, therefore they are cooled (Figures 2, 3)

The first trend is based on the development of compositions, the main components of them are: Potassium Nitrate, Guanyl Urea salts of Dinitroamide (GU-DNА), Sodium Bicarbonate, basic Magnesium Carbonate, Melamine and some binding additives.

As known from the experience of experimental working out, to achieve the mode of filtration burning it is necessary that the temperature of gases in the combustion chamber should not be over 1200 K.

The results of combustion products analysis were as follows: N₂ 34...35 %; CO₂ 15...16 %; H₂O 31...34 %; O₂ 17...18 %. The gas output of composition is on the level of nitrogen generating propellant based on Sodium Azide and is 380-400 nl/kg.

To provide the mode of filtration burning, the process of obtaining granules from fine-grained coolers has been developed. The necessary concentration of inert binder, aqueous solution of Na₂SiO₃ and K₂SiO₃ mixture, has been selected. The technology developed made possible to manufacture samples with the necessary porosity.

The tests performed in a model chamber showed that the process of filtration burning was realized in the chamber. Pressure dependence on time recorded both in a model chamber and in inflated capacity is practically identical to the same dependence when burning nitrogen generating sample based on Sodium Azide. The rate of propagating flame front along the charge is ca. 20mm/s. The temperature of gas generated in an inflated capacity is in the range of 40-60^o С.

The results obtained made possible to start developing industrial specimen of gas generator based on azide-free composition that later on should replace existing products with the ones fabricated under the technology less harmful for health and reduce the cost of manufacturing gas generators.

The second trend is based on the developing compositions the main components of them are DNA salts (Potassium salt, Guanyl Urea salt), Carbon, Tetrazole (binding additives), Bicarbonates of Sodium, Potassium, etc (additives are coolers).

In the result of experiment-calculated arrangement of compositions answering to the purposes stipulated in the initial part of this paper two types of compositions with the following characteristics were managed to create (Table 1).

Characteristics and values	1	2
Тbur, К (exp.) U, mm/s Vуд,nl/kg Gas composition, vol.% N2 CO2 H2O Admixtures	370...420 10...20 390...450 28...32 62...64 4...6 2...4	330...370 25...30 640...680 40...43 20...22 28...34 2...4

Thus, the formulations of low-temperature azide-free compositions based on Potassium Nitrate, DNA salts providing nontoxic explosionproof gases: Н₂О, СО₂, N₂ have been tailored.

Specific gas productivity of them is on the same level with nitrogen generating compositions (NGC) based on Sodium Azide.

It should be noted that the possible fields of their application compared with NGC are much narrower and they can be successfully used in gaseous fire extinguishing, lifting weights from under the water, short-time inflating elastic envelopes when pressure maintenance time is limited by parts and units of seconds.

В.А. Архипов^1,2, С.А. Волков², Л.Н. Ревягин², Б.В. Певченко¹

Традиционные методы борьбы с высокочастотной неустойчивостью могут оказаться неэффективными, так как высокая энергетика и ультрадисперсный алюминий влияют на способность горящей поверхности усиливать акустические волны с одновременным изменением демпфирующих возможностей продуктов сгорания. Количественной мерой оценки склонности образцов к вибрационному горению являются величина акустической проводимости горящей поверхности топлива. Знание акустической проводимости как основного источника усиления волн в продуктах сгорания позволяет судить о балансе акустической энергии и его изменении в требуемую сторону. На основе анализа экспериментальных данных возможно создание физической теории взаимодействия волн давления с зоной горения, оптимизация состава топлива.

В настоящее время ввиду сложной природы процессов взаимодействия поверхности горения с волной давления теоретические исследования не могут дать достоверных результатов, отвечающих требованиям проектирования РДТТ. Поэтому источником необходимой информации служат экспериментальные данные.

В акустике величиной, характеризующей взаимодействие волны давления с поверхностью, является проводимость поверхности:

где u – акустическая скорость в волне на поверхности; p – акустическое давление на поверхности; Y – величина комплексная из-за сдвига фаз между значениями u и p, ,  – действительная и мнимая части акустической проводимости поверхности горения.

Смысл χ как энергетической характеристики процесса взаимодействия волны давления с горящей поверхностью определяется соотношением

,

где – скорость изменения акустической энергии Е в волне, Т – период колебаний.

При <0 волна усиливается. Значение  определяет относительное увеличение акустической энергии в камере на единицу площади горения за один период колебаний.

В настоящей работе использовалась Т-образная камера сгорания (рисунок 1). Теоретические основы метода, конструкция установки, методика эксперимента и обработки опытных данных подробно изложены в [2, 3].

Конструкция установки позволяет варьировать уровень р₀ до 10 МПа, частоту продольных колебаний давления в диапазоне f=500...4000 Гц за счет изменения длины Т-камеры; а также площадь поверхности горения образцов ТТ за счет наличия на их торцевых поверхностях продольных щелей.

Форма образцов представлена на рисунке 2. На гладкой торцевой поверхности фрезой нарезались щели прямоугольного сечения в параллельном диаметру образца направлении. Глубина щелей h подбиралась экспериментально для получения необходимого значения величины поверхности горения S_г. Соотношение между шириной ребра щели и толщиной дна (во всех опытах она составляла 1 мм) образца было таким, чтобы обеспечивалось одновременное сгорание всего образца. На тыльную поверхность образца наносилась бронировка толщиной 0,5 мм, а на ребристую поверхность насыпалась навеска воспламенителя, состоящая из 0,3 г дымного ружейного пороха и 0,01 г пироксилина.



Рисунок 2 – Схема исследуемого образца

Высота образца выбиралась в диапазоне 10...14 мм для подбора такого значения параметра n=S_г/S_т (здесь S_т – площадь торца камеры), чтобы реализовывалась только первая гармоника продольных колебаний. Малая поверхность горения не приводит к генерации акустических колебаний, а слишком большая  к появлению дополнительных гармоник.

Расчетная формула проводимости имеет вид ,

где – показатель скорости нарастания амплитуды давления при генерации колебаний во времени, 1/с; – показатель скорости затухания амплитуды давления при демпфировании колебаний после выгорания топлива, 1/с; – частота колебаний (Гц).

Названные величины находятся при обработке экспериментальных осциллограмм (рисунок 3) с погрешностью 6 %.



Рисунок 3 – Типичная осциллограмма процесса
Используемые зависимости:

; ;

;

.

На двухконцевой Т-камере сгорания проведена серия экспериментов по изучению акустической проводимости модельных ТТ на различных основах как безметальных, так и содержащих порошки алюминия АСД-4 и УДП (Alex) с размерами частиц последнего ~ 0,1 мкм. Составы композиций приведены в таблице 1, где БК – бутилкаучук, ПХА – перхлорат аммония.

Определялась величина χ при значениях давления 1,9 МПа, частоты колебаний 600 Гц, температуры образцов 20 С (таблица 2).
Таблица 1

Номер состава	БК	СКДМ-80	ПХА	ХЭ	АСД-4	Alex
1	18,5	–	80	1,5	–	–
2	18,5	–	75	1,5	5	–
3	18,5	–	75	1,5	–	5
4	–	18,6	81,4	–	–	–
5	–	17,3	75,7	–	–	7
6	–	15,8	69,2	–	–	15

Таблица 2

Состав	Значение параметра для состава
	1	2	3	4	5	6
103	5,50,35	4,40.3	5,20,35	4,00,3	6.70.45	4.20.3
d, с1	11,7	20,2	15,7	12,3	18.1	25.3

Наличие в составе ТТ 5% штатного порошка алюминия АСД-4 снижало акустическую проводимость  20% по сравнению с безметальным составом. При введении в состав ТТ 5% УДП величина χ приблизительно соответствовала безметальным композициям.

Представляет интерес сравнение величин скорости затухания колебаний после окончания горения образцов разных составов. Для безметального состава затухание складывается из затухания на стенках камеры, в центральном отверстии и в газовой фазе соответствующего состава. К затуханию , реализуемому для состава с 5% АСД-4, по сравнению с , добавляется затухание на конденсированных частицах оксида алюминия. Значение отличается от затуханием на частицах оксида, образуемого в продуктах сгорания за счет добавки 5% УДП.

В результате опытов найдено: – = 20,2 1/с – 11,7 1/с = 8,5 1/с. Эта величина демпфирующего воздействия в газовой фазе частиц оксида алюминия при сгорании 5 % добавки АСД-4. – = 15,7 1/с – 11,7 1/с = 4 1/с. Это демпфирующее воздействие через затухание колебаний давления на частицах газовой фазы, образованных при сгорании в топливе 5 % УДП.

Таким образом, стабилизирующее воздействие порошка АСД-4 состоит в понижении отклика горящей поверхности на возмущения давления ( уменьшается на 1,310^–3) и в повышении демпфирования колебаний в газовой фазе на 8,5 1/с. Значения тех же параметров для аналогичной добавки УДП – 0,310^–3 и 4 1/с – говорят о существенном меньших стабилизирующих возможностях последнего при данных условиях испытаний.

В другой серии опытов использовались составы на основе горючего-связующего СКДМ-80 (см. таблицу 1). Условия экспериментов были следующими: давление 1,9 МПа, частота 600 Гц, температура 20 С. Результаты опытов приведены в таблице 2. Видно, что данный безметальный состав на основе связующего СКДМ-80 более устойчив (уменьшение на ~ 36%) по сравнению с составом на основе БК. Модификация состава №1 7% УДП привела к увеличению до значения (6,7  0,45)·10^–3 (~67,5%). Это указывает на противоположное качественное воздействие добавки УДП алюминия по сравнению с составом на основе БК.

Добавка 15 % УДП снизила величину до уровня, близкого к безметальному составу. Если сравнивать композиции на основе БК и СКДМ-80, то можно утверждать, что последняя более склонна к акустической неустойчивости (при указанных условиях испытаний). В общем плане добавка УДП алюминия дестабилизирует процесс горения (в отличие от АСД-4). Степень дестабилизации проявляется в большей мере для состава на основе связки СКДМ-80.

Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы.

1. Price E.W. Experimental observations of combustion instability // Fundamentals of Solid-Propellant Combustion/ Edited by K.K. Kuo and M. Sammerfield, V. 90 of Progress in Astronautics and Aeronautics, New-York, 1984. – Pp. 733–790.

2. T’ien T.S. Theoretical analysis of combustion instability // Fundamentals of Solid-Propellant Combustion/ Edited by K.K. Kuo and M. Sammerfield. V. 90 of Progress in Astronautics and Aeronautics, New-York, 1984. – Pp. 791–840.

3. Coates R.L., Horton M.D., Ryan N.W. T-Burner Method of Determining the Acoustic Admittance of Burning Propellants // AIAA Journal.– 1964.– V. 2. – Pp.1119–1122.