Mở đầu (04 trang). Đối tượng và phương pháp nghiên cứu (16 trang). Kết quả và thảo luận (76 trang). Tài liệu tham khảo (08 trang).
Cơ chế cháy của thuốc phóng keo ballistic Sự cháy của thuốc phóng nói chung và thuốc phóng ballistic nói riêng là một quá trình hóa lý phức tạp, gồm nhiều giai đoạn chuyển hóa từ thuốc phóng ban đầu thành các sản phẩm khí kèm theo tỏa nhiệt (hình 1. Hình ảnh thuốc phóng cháy tại các áp suất khác nhau [22] Khi thuốc phóng cháy, các phản ứng hóa học diễn ra ở khoảng nhiệt độ rộng trong các vùng không gian mà được phân biệt với nhau bởi trạng thái vật lý và độ rộng [29], [35], [53], [62], [70]. Các vùng chính diễn ra của sự cháy được mô tả trên hình 1.2, bao gồm: vùng nung nóng (vùng I), ving hon hợp khói khí (vùng II); vùng tối (vùng II) và vùng các phản ứng khí (vùng IV). Những vùng cháy của thuốc phóng ballistic ở các áp suất khác nhau 1-I0MPa, 2-2MPa; I-vùng nung nóng: II-vùng khói khí (vùng ngọn lửa sơ cap); III - vùng tối; IV-vùng các phản ứng khí (ngọn lửa thứ cấp) [53], [62].
Trên ranh giới giữa một số vùng cháy chính lại được phân chia thành các lớp hoặc vùng khác nhau, chẳng hạn như trên vùng nung nóng có lớp phản ứng pha K, trên vùng hỗn hợp khói khí có vùng ngọn lửa sơ cấp, trên vùng các phản ứng khí có vùng ngọn lửa thứ cấp và cuối cùng là vùng các sản phẩm cháy chủ yếu ở dạng khí [53]. Quá trình cháy của thuốc phóng diễn ra rất nhanh, nó phụ thuộc vào bản chất, thành phần của từng loại thuốc phóng khác nhau và áp suất nơi diễn ra sự cháy. Do đó, sự phân biệt giữa các vùng cháy cũng chỉ mang tính chất tương đối.1 cho thấy, ởáp suất cháy 0,7 MPa thì vùng tối rất rộng, tuy nhiên, khi đến áp suất cháy 2,6 MPa, vùng tối bị biến mắt hoàn toàn. Vùng nung nóng - vùng phản ứng ở pha rắn (pha K): Quá trình cháy của thuốc phóng đã sinh ra lượng nhiệt rất lớn và được giải phóng phóng ra khỏi vùng không gian cháy (bên ngoài thỏi thuốc phóng đang cháy).
Một phần nhiệt lượng này được dùng dé nung nóng phần thuốc phóng chưa bị cháy đến, gọi là vùng nung nóng của thuốc phóng. Tại vùng nung nóng, các biến đổi hóa học của nó vẫn chưa xảy ra [27], [47], [53]. Phần lớn, lượng nhiệt nhận được chủ yếu của vùng nung nóng phân bố ngay bên dưới lớp cháy. Đề nghiên cứu tính chất cháy của thuốc phóng, người ta chỉ quan tâm đến vùng nung nóng có sự phân bố lượng nhiệt mà nhận được lớn nhất, được gọi là vùng của pha rắn hay vùng pha K (pha ngưng tụ).
Khi nhận được lượng nhiệt đủ lớn xác định nào đó (giá trị xác định phụ thuộc vào bản chất, thành phần của thuốc phóng và các điều kiện bắt cháy của nó), trong pha K bắt đầu diễn ra quá trình phân hủy nhiệt rất mạnh của các cấu tử chính và phản ứng tỏa nhiệt giữa các sản phẩm trung gian, cùng với đó là xảy ra quá trình sinh khí. Vùng này, trong pha K được gọi là lớp phản ứng. Kết quả của các quá trình diễn ra tiếp theo trong lớp thuốc phóng là sự chuyển hóa thành khối lỏng nhớt, sủi bọt và dần dần chuyền sang hệ sol khí chứa hỗn hợp các sản phẩm phân hủy, bao gồm cả chất lỏng, chất rắn và chất bay hơi của các cấu tử trơ khác. Hỗn hợp đó gọi là hơi - khói - khí [53].
Ranh giới giữa pha K và vùng hơi - khói - khí, gọi là bề mặt cháy, tuy nhiên, khái niệm này cũng chỉ mang tính ước lệ, do đó việc xác định chính xác nhiệt độ của nó là tương đối khó khăn. Nhiệt độ bề mặt cháy (Tp) phụ thuộc vào thành phần thuốc phóng và áp suất diễn ra sự cháy. Ví dụ, đối với thuốc phóng “N” trong khoảng áp suất từ 0,1 đến 10 MPa (ở nhiệt độ ban đầu của thuốc phóng, Tọ = 300 K) nó tăng từ 500 K đến 720 K [35], [36]. Sự phân hủy thuốc phóng bắt đầu từ phản ứng thu nhiệt tách các nhóm NO; ra khỏi NC va NG (hoặc từ các chất hóa dẻo nitroeste khác), sau đó tiếp tục phản ứng với các sản phâm phân hủy trung gian và các cầu tử ban dau.
Năng lượng hoạt hóa của quá trình tách NO; từ nitroeste vào khoảng 160 kJ/mol [65], [66], còn các quá trình oxi hóa cuối cùng vào khoảng §0 kJ/mol [35], [36], [65]. Trong quá trình cháy của thuốc phóng ballistic, đặc biệt với thuốc phóng có nhiệt lượng cháy trung bình và thấp thì sự chênh lệch độ bền nhiệt giữa các cấu tử cầu thành nên thuốc phóng rất khác nhau. Kém bền nhất và có khả năng hoạt động hóa học nhất (các cấu tử NG, NC) sẽ bị phân hủy, sau đó đến các phụ gia trơ như DNT, đặc biệt là DBP, xentralit,.sẽ bị chuyên dần sang dạng lỏng hoặc hơi và hầu như không phân hủy tại pha K [69]. Do đó, từ bề mặt cháy các cấu tử trên bị bay hơi và phân tán bởi các luồng khí.
Khi đó, trong một vài trường hợp chúng có thể không bị cháy hết, thậm chí ở cả lớp cuối cùng [27], [47]. Việc cháy hết không đồng thời của các cấu tử dẫn đến việc tạo thành trên bề mặt cháy các lưới và khung cấu thành từ các sợi cacbon phân hủy từ NC. Khung này bị đây xuống bởi các khí từ bề mặt cháy. Mật độ và khối lượng của nó phụ thuộc vào thành phần thuốc phóng, tăng lên khi trong thành phần của nó có mặt các cấu tử trơ DNT, DBP, muội than,.
Khi áp suất tăng, tốc độ phản ứng của NO; với các cấu tử thuốc phóng và sản phẩm phân hủy tăng, do đó khả năng tạo ra khung có thê giảm, hình 1. Thành phần gôm: 57 % NC +23 b). Thanh ph % NG +11,5 % DNT +5,5 % DBP + % NG +19,5 % DNT + 6,5 % DBP 3 % chất khác + 3 % chất khác Hình 1. Hình ảnh bề mặt cháy của thuốc phóng có các thành phần khác nhau tai 4p suat p = 2 MPa [63] ON Š ` ỳ ân gom: 57 % NC +14 Se KLÍLTHLỦ b).
Hình ảnh bề mặt cháy của thuốc phóng có thanh phan: 57 % NC + 39,5 % DG + 3,5 % chất khác tại các áp suất khác nhau [63] Như vậy, việc nghiên cứu thành phần các sản phẩm cháy trung gian tại pha K cho phép đánh giá khả năng cháy hết của các cấu tử trên bề mặt cháy của thuốc phóng. Thành phần sản phẩm cháy này phụ thuộc vào tính chất lý hóa của các cấu tử thuốc phóng ban đầu và áp suất diễn ra sự cháy. Các nghiên cứu đã công bố liên quan đến bề mặt cháy và thành phần sản phẩm cháy chủ yếu được thực hiện đối với hầu hết các loại thuốc phóng hai gốc. Độ rộng của lớp nung nóng và lớp phản ứng ở pha K và thời gian tồn tại của chúng phụ thuộc vào tốc độ cháy.
Độ rộng của lop nung nong (1) được hiểu là khoảng cách mà tại đó độ nung nóng giảm đi e lần: I = z/u, trong đó, x là hằng số dẫn nhiệt của thuốc phóng và u là tốc độ cháy. Thời gian (r) tồn tại của nó bằng y/u’ (s) va do rộng của lớp phản ứng vào khoảng 0,1 đến 0,15 độ rộng của lớp nung nóng. Do đó, thời gian diễn ra của các phản ứng ở pha K ít hơn khoảng 1 bậc so với thời gian tồn tại của lớp nung nóng. Trong vùng tăng dần đều của áp suất (12- 15 MPa), thời gian tồn tại của lớp nung nóng vào khoảng 10” đến 10' s [47].
Vùng hỗn hợp khói khí và vùng tối: Những phản ứng cơ bản xảy ra trong vùng khói khí, bao gồm: phản ứng giữa NO; với các sản phâm trung gian của quá trình phân hủy nitroeste và sự phân hủy của các cấu tử trơ mà đã bị bay hơi hoặc bị phân tán từ pha K. Thành phần chủ yếu của vùng này là các hat ran bị phân tán, các giọt chất lỏng, hơi bị phân hủy ở gần với bề mặt thuốc phóng, khi đó tạo ra các hạt muội có khả năng phát sáng. Do đó, nó còn được gọi là vùng ngọn lửa sơ cấp. Độ rộng của vùng hỗn hợp khói khí phụ thuộc vào áp suất và thành phần thuốc phóng.
Ví dụ, đối với thuốc phóng “N” và “NB” ở áp suất từ 2 đến 10 MPa nó vào khoảng 0,01 đến 0,1 mm [35], [36], [47]. Trong vùng hỗn hợp khói khí đã thoát ra khoảng 40 % đến 50 % tổng lượng nhiệt của thuốc phóng, dẫn đến làm tăng nhanh nhiệt độ trong vùng này lên khoảng 1500 K đến 1600 K [36]. Có thê thấy, tốc độ tăng (gradient) nhiệt độ của vùng hỗn hợp khói khí là rất lớn, từ 10 đến 100 nghìn Kenvil trên 1 cm. Càng ở xa bề mặt cháy, tốc độ của các phản ứng hóa học càng giảm do kết quả của quá trình khử NO; xuống NO, chất mà cho khả năng hoạt động kém hơn.
Do đó, quá trình tăng nhiệt độ cũng bị chậm lại. Khi đó, đường biểu diễn nhiệt độ theo thời gian gần như là 1 đường nằm ngang. Sau quá trình khí hóa hoàn toàn các hạt rắn, sự phát sáng sẽ biến mất do các sản phâm khí cháy 10 của thuốc phóng chỉ phát sáng ở điều kiện lớn hơn 1800 K. Kết quả của quá trình trên dẫn đến giữa vùng ngọn lửa sơ cấp và ngọn lửa thứ cấp (có nhiệt độ cao) xuất hiện vùng không phát sáng, được gọi là vùng tối.
Độ rộng của vùng tối phụ thuộc vào áp suất và tốc độ cháy của thuốc phóng. Nó gần bằng khoảng cách từ bề mặt cháy đến vùng có nhiệt độ cao nhất. Khi áp suất tăng, độ rộng của vùng tối giảm và trong cùng điều kiện, độ rộng của vùng tối càng lớn khi tốc độ cháy càng cao. Khi áp suất không quá lớn (nhỏ hơn IMPA) thì quá trình cháy chỉ dừng lại ở vùng ngọn lửa sơ cấp.
Khi đó, các sản phâm cháy của thuốc phóng vừa chứa các chat oxi hóa hoàn toàn (CO;, HO, N;) đồng thời có cả các sản phẩm cháy trung gian (NO, CO, Hb,. Vùng các phản ứng trong ngọn lửa (ngọn lửa thứ cấp): Khi tăng áp suất, khả năng tương tác của các sản phẩm khí ở vùng tối tăng lên và xuất hiện vùng ngọn lửa thứ cấp. Ở vùng này, cơ bản diễn ra quá trình cháy tiếp của CO và H; do sự khử NO. Giai đoạn này đã giải phóng ra khoảng 40 % đến 50 % tổng lượng nhiệt cháy của thuốc phóng và đạt đến nhiệt độ cháy cao nhất.