Пороха и топлива должны обладать различной скоростью горения и различной температурой, различающихся газов, что вытекает из чрезвычайно разнообразных условий их применения.

Скорость горения порохов и топлив можно регулировать за счет изменения состава, в частности соотношения окислителя и горючего, физико-химических свойств связующего компонента и продуктов его разложения, дисперсности окислителя, дисперсности и количества металла, а также использование катализаторов и ингибиторов горения. Кроме этого, для регулирования закономерности горения можно использовать и ряд физических методов, например,

- акустические,

- баллистические (центробежная сила),

- электрические, т.е. пропуская электрический ток по расплавленной поверхности.

Перечисленные методы не нашли практического применения в виду сложности их реализации. Практическое применение нашли:

- метод теплопроводящих элементов,

- фильтрационный метод,

а также тепловой нож и использование быстрогорящих ВВ.

При горении веществ принято выделять следующие стадии:

- зажжение,

- воспламенение,

- горение.

Зажжение происходит тем легче, чем мощнее вызывающий его тепловой импульс, кроме того, легкость зажжения зависят от состава пороха, размеров пороховых зерен, характера их поверхности, структуры пороха и ряда других факторов. Так, увеличение удельной поверхности, уменьшает теплопроводность, облегчает зажигание пористого вещества лучом огня, который действует на ограниченный поверхностный слой вещества. Для оценки зажигаемости пользуют приборами, в которых испытуемое вещество подвергают действию луча пламени const интенсивности и определяют минимальную продолжительность воздействия луча пламени, который необходимо для зажжения. Из всех порохов дымный порох, особенно в виде пыли, зажигается наиболее легко. Дымный порох зажигается легче пироксилинового. Пироксилиновые труднее высококалорийных нитроглицериновых порохов зажигаются. Большая скорость воспламенения пороха в воздушной среде по сравнению со скоростью горения вглубь зерна обусловлена тем, что при горении на воздухе содержащиеся в пороховых газах горючие вещества смешиваясь с воздухом догорают за счет О₂ воздуха при этом температура пламени растет. Вследствие этого поверхностные слои пороха по контуру фронта горения нагреваются пламенем с большим ростом температуры, поэтому на воздухе воспламенение пороха происходит быстрее, чем распространение горение вглубь зерна. В замкнутом пространстве зарядной каморы, где горение идет без доступа воздуха, такое ускоренное распространение горения по поверхности пороха не играет такой роли, то для того, чтобы произошло практически одновременное воспламенение по всей поверхности всех пороховых зерен необходимо обеспечить охват этой поверхности пламенем воспламенителя. Воспламеняемость порохов последовательно понижается в ряду следующим образом

Черный порох балиститные пороха с большим содержанием НГЦ

балиститные пороха с наполнителями (металлы, быстрогорящие ВВ)

балиститные пороха с небольшим содержанием НГЦ пироксилиновые пороха.

Кроме состава на воспламеняемость порохов оказывает влияние состояние поверхности, так шероховатые зерненные пороха воспламеняются легче. Воспламеняемость пороха имеет большое практическое значение, т.к. от данного процесса зависят баллистические результаты выстрела. Если заряд воспламеняется недостаточно равномерно, то потом резко повышаются давления и процесс горения заряда может закончиться разрывом орудия, поэтому правильно подобранный воспламенитель и обеспечивает НГ заряда в ракетных камерах и артиллерийских системах. Пороха коллоидного типа горят параллельными слоями, т.е. они удовлетворяют принципу Вьеля

b – поперечный размер порохового элемента, т.е. изменяя толщину порохового элемента можно регулировать время его горения.

Пороха должны гореть прогрессивно. Это такие пороха, у которых скорость горения внешних слоев меньше скорости горения внутренних слоев, т.е. в условиях боевого применения они горят не только с const скоростью, но и с постоянным ускорением. Прогрессивное горение обеспечивается приданием пороховым элементам определенной геометрической формы, бронированием или флегматизацией боковых поверхностей и т.д. По отношению текущей поверхности горения и начальной S/S₀ различают

- прогрессивно S/S₀>1

- дегрессивно горящие пороха S/S₀<1

- регрессивно S/S₀=1

К прогрессивным относятся многоканальные пороха.

 

 

У регрессивных горение происходит и с внутренней и с внешней поверхности. К дегрессивным относятся шаровая, кубическая, ленточная формы. Кроме того, пороховые заряды в ракетных системах бронируют, т.е. их боковую поверхность покрывают негорючим лаком. Флегматизация внешней поверхности осуществляется пропитыванием раствором вещества, которое содержит большое количество углерода. Раствор проникает внутрь порохового элемента и в последующем такие внешние пропитанные слои горят со значительно меньшей скоростью, чем внутренние слои, это исключает прогары. Сильная зависимость скорости горения пороха от давления нежелательна. Такая зависимость приводит к дегрессивности горения порохового заряда, увеличивая при выстреле отношение максимального давления к среднему. Кроме того, желательно, чтобы скорость горения пороха возможно меньше зависела от начальной температуры. Особенно сильно сказывается зависимость скорости горения от давления и температуры при использовании порохового заряда в реактивном двигателе. Если скорость горения прямо пропорционально давлению, то такой порох вообще нельзя использовать в реактивном двигателе. Такой вывод вытекает из уравнения баланса газообразования за счет горения порохового заряда и оттока газов через сопло. Весовое количество газов q₁, образующихся в единицу времени будет равно

Расход газов через сопло

А – коэффициент расхода

G – минимальное сечение сопла

Р – давление в камере сгорания

В общем виде

Т.о. устойчивое горение равно при равных потоков внутрь и наружу

Равновесное давление

Из формулы следует, что характер зависимости величины равновесного давления от параметров заряжания двигателя в сильной степени зависит от величины n. Если n >1, то равновесие между газопритоком и газооттоком вообще невозможно. При n <1 – равновесие устойчиво. Чем ближе n к 1, тем сильнее равновесное давление зависит от параметров заряжания и начальной температуры. Чем меньше n, тем меньше возрастает равновесное давление с повышением температуры. Современные пороха имеют сравнительно больше значения n = 0,7. Поэтому для зарядов из этих порохов показатель степени в выражении равновесного давления тоже велик. Если n = 0,67, то 1/(1- n) = 3, n = 0,75 1/(1- n) = 4. Для современных порохов наблюдается значительная зависимость скорости горения от начальной температуры. Так при изменении температуры от 18⁰ до 60С скорость возрастает в 1,3 – 1,5 раза. Однако в настоящее время путем введения специально разработанных ингибирающих добавок, которые вводят в состав порохов, удалось создать системы, имеющие практически малую зависимость скорости горения и от давления и от температуры. В случае смесевых систем, состоящих из окислителя и горючего можно отметить, что скорость их горения более слабо зависит от давления и температуры, чем у баллиститных порохов, поэтому смесевые топлива более предпочтительны для ракет, чем НГЦ пороха. Кроме того, они имеют еще то преимущество, что способны гореть устойчиво с полным выделением энергии при более низких давлениях, чем баллиститные пороха, а это позволяет уменьшить толщину стенок ракетной камеры, т.е. массу ракеты.

 

Говоря о скорости горения необходимо различать собственно горение и поверхностное распространение горения. При горении порохового столбика конденсированная фаза обычно принимает форму конуса, при этом поверхность горения оказывается значительно больше исходной.

(Догорание горючих продуктов неполного сгорания за счет кислорода воздуха приводит к повышению температуры и, как следствие, вызывает ускорение распространения горения по поверхности заряда).

При горении пороховых элементов в канале ствола зажигание обычно происходит по всей свободной поверхности.

Весовое количество газов, образующихся при горении равно:

q=U_m × S

Если по мере сгорания поверхность частицы уменьшается, то такую форму называют депрессивной (например, шар, куб), если поверхность увеличивается – прогрессивной (шашка с каналами).

Важно отметить, что скорость горения не превышает скорости звука в исходной горючей системе. Скорость звука является критерием для перехода горения в детонацию.