В современной жизни любого государства большое значение имеют энергонасыщенные материалы, или энергетические конденсированные системы.

Энергетические конденсированные системы (ЭКС) – это ракетные, артиллерийские, плазменные, лазерные и винтовочные пороха, смесевые ракетные твердые топлива, все виды взрывчатых веществ, пиротехнические средства и гидрореагирующие твердотопливные ком-позиции . ЭКС являются основой обороноспособности государства и оказывают влияние на экономику, на развитие науки и техники. Без ЭКС нет артиллерии, нет стрелкового оружия, нет основных видов боевых ракет, в том числе межконтинентальных, а без современного и перспективного оружия нет армии.

Энергетические конденсированные системы – это эффективный источник энергии для техники и новых технологий. Специальные виды ЭКС позволили создать уникальные и весьма актуальные технологии. Так, на базе плазменных твердых ракетных топлив впервые в мире
разработаны пороховые магнитные гидродинамические генераторы (МГД-генераторы) электрической энергии, которые позволяют вести поиск полезных ископаемых на больших глубинах, осуществлять долгосрочный прогноз землетрясений, исследовать строение земной коры на глубинах до 70 и более километров. Специальные градобойные ракеты и артиллерийские системы используются для борьбы с лесными пожарами и градом, стимулируют искусственное выпадение осадков.
С помощью ЭКС проводится сварка не свариваемых классическими методами материалов, штамповка и резка металлов, танков и судов, упрочнение стальных конструкций, синтез алмазов, ультрадисперсных алмазов из углерода и многое другое. ЭКС являются опасными в производстве и эксплуатации.

По служебному использованию и опасности ЭКС делятся на четыре группы: инициирующие взрывчатые вещества (ИВВ), бризантные (вторичные) ВВ (БВВ), метательные (пороха и смесевые ракетные твердые топлива) (МВВ) и пиротехнические составы (ПТС) . Основными свойствами ЭКС, определяющими отнесение их к той или иной группе, являются чувствительность к внешним воздействиям (удару, трению, нагреву), к ударно-волновому импульсу, детонационная способность и склонность к переходу горения во взрыв и детонацию (ПГВ и ПГД).

Наиболее опасными являются ИВВ, так как они имеют наибольшую чувствительность к удару и трению, склонны к ПГВ на открытом воздухе даже в малых (менее 1 г) количествах.

Многие пиротехнические составы приближаются по степени опас-ности к ИВВ (особенно опасны мелкие изделия цветопламенных и форсовых составов).

Бризантные ВВ способны взрываться, если они сосредоточены в значительных количествах. Из них наиболее опасны гексоген, октоген, ТЭН, тетрил, менее опасны аммониты и водосодержащие ВВ, гелеобразные и эмульсионные ВВ.

Пороха и твердые ракетные топлива считаются менее опасными, многие из них устойчиво горят при давлениях в десятки и сотни мегапаскалей, но вместе с тем обладают высокой воспламеняемостью, а ружейные, минометные и некоторые другие пороха способны к переходу горения во взрыв.

Первым взрывчатым веществом, применявшимся в военной технике и в различных отраслях хозяйства, был дымный, или черный порох, − смесь калиевой селитры, серы и угля в различных соотношениях. Полагают, что взрывчатые смеси, подобные дымному пороху, были известны за много лет до нашей эры народам Китая и Индии. Вероятно, что из Китая и Индии сведения о дымном порохе попали сначала к арабам и грекам. До середины XIX века, то есть на протяжении почти 500 лет, кроме дымного пороха не было ни одного взрывчатого вещества.

Сначала дымный порох применялся для стрельбы в виде порошка − пороховой мякоти и в России назывался зельем. Необходимость увеличения скорострельности оружия привела к замене пороховой мякоти пороховыми зернами.

Существенный вклад в развитие порохового производства в России сделан в начале XVIII века при Петре I.

В 1710–1723 гг. были построены крупные государственные пороховые заводы − Петербургский, Сестрорецкий и Охтинский.

В конце XVIII века Ломоносовым, а затем Лавуазье и Бертло во Франции был найден оптимальный состав дымного пороха: 75 % калиевой селитры, 10 % серы и 15 % угля. Этот состав стал применяться в России с 1772 г. и практически не претерпел никаких изменений до настоящего времени.

В 1771 г. после реконструкции вступил в строй Шостенский пороховой завод, а в 1788 г. построен крупнейший в мире Казанский пороховой завод.

В конце XVIII и в начале XIX веков отмечается бурное развитие естествознания: делаются открытия в области химии, физики и области взрывчатых веществ и порохов. Один за другим синтезируются взрывчатые вещества, превосходящие по энергетике дымный порох.

В 1832 г. французский химик Г. Браконо, обрабатывая лен и крахмал азотной кислотой, получил вещество, названное им ксилоидином.

В 1838 г. Пелузо повторил опыты Г. Браконо. При действии на бумагу азотной кислоты был получен пергамент, не смачиваемый водой и легко воспламеняемый. Пелузо назвал его «взрывчатое, или огненное, дерево».

Приоритет открытия нитратов целлюлозы признан за немецким химиком Шенбейном. Беттгером независимо от Шенбейна был получен пироксилин. Шенбейн и Беттгер взяли патент на строительство пироксилиновых заводов в нескольких странах, и уже в 1847 г. в Англии был построен первый завод по изготовлению пироксилина, который в этом же году был разрушен взрывом.

По патенту Шенбейна и Беттгера в 1852 г. был построен завод в Австрии, на котором также произошел взрыв. Последующий ряд взрывов пироксилиновых заводов показал невозможность получения химически стойкого пироксилина по методу Шенбейна, поэтому интерес к нему как взрывчатому веществу в ряде стран ослаб, и только в Австрии Ленк (1853–1862 гг.) продолжал проводить исследования по получению стойкого пироксилина. Он предложил промывать нитраты целлюлозы содовым раствором слабой концентрации. Однако его попытки были безрезультатными, и после трех взрывов на складах в 1862 г. и в Австрии работы по получению пироксилина прекратились.

Несмотря на такие большие неудачи, работы в области получения химически стойкого пироксилина в Англии продолжал Абель, и в 1865 г. ему удалось получить стойкий нитрат целлюлозы. Он доказал, что причиной самовоспламенения нитратов целлюлозы при хранении на складах является серная кислота, которая остается во внутренних капиллярах волокна. Для извлечения этого остатка Абель предложил измельчать волокна нитроцеллюлозы под водой в голландерах. Этот способ позволил извлечь остаток серной кислоты из капилляров и полу-чить нитроцеллюлозу с достаточным сроком безопасного хранения.

С этого времени интерес к нитроцеллюлозе вновь стал возрастать, ее применяли в качестве взрывчатого вещества, впоследствии получали динамиты.

В 1884 г. Вьелю удалось найти способ уплотнения нитроцеллюлозы. Он предложил обрабатывать ее смесью спирта и эфира. При выдержке образуется тестообразная масса, которую можно выдавливать, прессовать, прокатывать, то есть придавать ей желаемую форму. За это открытие он получил Нобелевскую премию. Так стали получать пироксилиновые пороха.

В России работы по получению нитратов целлюлозы были начаты в 1845–1846 гг. полковником Фадеевым, который пытался применить нитрованный хлопок для стрельбы из пушек и гаубиц.

Систематические работы были начаты в 1891 г., когда при Морском Ведомстве создали лабораторию по изучению физико-химичес-ких свойств нитратов целлюлозы и порохов. Работами в лаборатории руководил Д.И. Менделеев. В этой лаборатории в 1891 г. Менделеев с сотрудниками получил пироколлодийный пироксилин, а в 1892 г. на его основе − пироколлодийный порох.

Валовое производство нитратов целлюлозы и порохов в России было начато в 1894 г. Начиная с этого времени история развития нитратов целлюлозы идет по пути исследования процессов получения, усовершенствования технологического процесса, создания новой аппаратуры и изыскания нового типа и формы целлюлозного сырья.

Большая заслуга в этом принадлежит видным ученым: Р.А. Малахову, А.П. Закощикову, А.И. Титову, Г.К. Клименко, А.П. Сапожникову, Л.В. Забелину, А.В. Марченко и многим другим. До 1930 г. нитраты целлюлозы получали только на основе хлопковой целлюлозы, а позднее начали применять и древесную.

Решающая заслуга в разработке технологии пироксилинового пороха в России принадлежит З.В. Калачеву, А.В. Сухинскому, В. Никольскому и многим другим.

В 1846 г. в Италии Собреро был получен нитроглицерин.

В 1853–1854 гг. русскими учеными Н.Н. Зининым и В.Ф. Петрушевским впервые в мире отработана технология получения нитроглицерина.

В 1888 г. шведом Альфредом Нобелем на основе нитроглицерина был предложен порох, содержащий 40 % нитроглицерина и 60 % нитроцеллюлозы. При испытаниях в артиллерийских орудиях оказалось, что этот порох обладает значительно большей силой, чем пироксилиновый.

В 1889 г. Ф. Абелем и Д. Дьюаром в Англии был предложен другой тип нитроглицеринового пороха под названием «Кордит», что значит шнур или струна.

В Советском Союзе промышленное изготовление баллиститного пороха началось с 1928 г., а затем особенно интенсивно развивалось во время второй мировой войны.

В послевоенный период (с 1949 г.) начато промышленное производство крупногабаритных ракетных порохов, а с 1958 г. − разработка высокоэнергетических ракетных порохов.

Начиная с середины 50-х годов XX в. как в СССР, так и в США, активное развитие получили смесевые ракетные твердые топлива.

В развитии современных порохов и топлив существенный вклад внесли отечественные ученые А.С. Бакаев, К.И. Баженов, Д.И. Гальперин, Б.П. Жуков, Н.Г. Рогов, А.В. Косточко, К.И. Синаев, Я.Ф. Савченко, Г.В. Сакович, Б.М. Аникеев, Н.Д. Аргунов, В.В. Мошев, В.А. Морозов, В.И. Самошкин и многие другие ученые.

Пиротехнические составы как боевое средство за несколько веков до нашей эры применяли в Китае.

В России развитие пиротехники главным образом шло в направлении фейерверочных составов, а в начале XIX в. − военного назначения. Большой вклад в развитие отечественной пиротехники сделали К.И. Константинов, В.Н. Чиколев, Ф.В. Степанов, Ф.Ф. Матюкевич, А.А. Шидловский, Ф.П. Мадякин.

К 1992 г. стратегические войска России имели на вооружении 1386 межконтинентальных баллистических ракет наземного и 934 морского базирования. В состав стратегического наступательного вооружения входят:

Межконтинентальные баллистические ракеты сухопутного базирования;

Баллистические ракеты подводных лодок;

Крылатые ракеты стратегических бомбардировщиков.

Создатели ракетных комплексов:

Королев Сергей Павлович – ученый, конструктор ракетно-косми-ческой техники, основоположник практической космонавтики. Под руководством С.П. Королева разработаны и сданы на вооружение первые отечественные баллистические ракеты дальнего действия на СРТТ.

Макеев Виктор Петрович – генеральный конструктор боевой ракетной техники. Руководитель разработки первой отечественной твердотопливной межконтинентальной ракеты с разделяющей боевой частью.

Уткин Владимир Федорович – генеральный конструктор, директор НПО «Южное». Под его руководством создан передвижной ракетный комплекс железнодорожного базирования РК-23.

Надирадзе Александр Давидович – выдающийся конструктор ракетной техники. Под его руководством созданы первые в мире мобильные ракетные комплексы, заложены основы создания ракетного комплекса «Тополь».

Лагутин Борис Николаевич – генеральный конструктор, разработчик подвижных ракетных комплексов с твердотопливными ракетами.

Соломонов Юрий Семенович – генеральный конструктор. Под его руководством создан универсальный ракетный комплекс «Тополь-М».

07.11.2010

Ультрадисперсные энергетические конденсированные системы (ЭКС), содержащие наночастицы алюминия с функциональными органическими и элементоорганическими покрытиями

А.Н. Жигач 1 , И.О. Лейпунский 1 , Е.С. Зотова 1 , Б.В. Кудров 1 , Н.Г. Берёзкина 1 , П.А. Пшеченков 1 , М.Ф. Гогуля 2 , М.А. Бражников 2 , В.А. Теселкин 2 , О.М. Жигалина 3 , В.В. Артёмов 3

1 Учреждение Российской академии наук Институт энергетических проблем химической физики РАН (ИНЭПХФ РАН)

2 Учреждение Российской академии наук Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН (ИХФ РАН)

3 Учреждение Российской академии наук Институт кристаллографии РАН им. А.В. Шубникова (ИК РАН)

Целью настоящей работы является получение субмикронных и наноразмерных частиц алюминия с содержанием в них активного алюминия, сравнимым с таковым в порошках с микронным размером частиц, синтез и характеризация алюминизированного композита на основе матрицы из нитраминов.

Разработанным в ИНЭПХФ РАН методом конденсации паров металлов в потоке инертного газа получены наночастицы алюминия, имеющие на поверхности специальным образом сформированные функциональные (окси)нитридные, триметилсилоксановые и фторорганические покрытия препятствующие окислению поверхностного слоя частиц наполнителя. Полученные образцы охарактеризованы методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа. Показано, что наибольшим остаточным содержанием активного алюминия обладают образцы наноразмерного алюминия с триметилсилоксановым покрытием, а наиболее подвержены деградации частицы алюминия с фторорганическим покрытием.

Представлена разработанная в ИНЭПХФ РАН методика получения ультрадисперсных высокоэнергетичных материалов (индивидуальных и алюминизированных композитов) путём распылительной сушки суспензии ультрадисперсного порошка алюминия в растворе . Описана макетная экспериментальная установка. Обсуждаются факторы, определяющие стабильность суспензии, эффективность процессов распыления и сушки, конечную морфологию, фазовый состав композита и равномерность распределения частиц алюминия в высокоэнергетичной матрице.

Имеющимися в ИХФ РАН экспериментальными методиками измерены механическая чувствительность алюминизированных нанокомпозитов на основе высокоэнергетичных матриц нитраминового ряда (гексоген RDX, октоген HMX, гексанитрогексаазаизовюртцитан HNIW). Показано, что чувствительность образцов c матрицей HNIW заметно выше по сравнению с композитами на основе HMX и аналогичными наполнителями, при этом механическая чувствительность слабо зависит от типа нанесенного покрытия.

Литература.

1. Жигач А.Н., Лейпунский И.О., Кусков М.Л., Стоенко Н.И., Сторожев В.Б. Установка для получения и исследования физико-химических свойств наночастиц металлов // Приборы и техника эксперимента. 2000. №6. C. 122-129.

2. А.Н. Жигач, И.О. Лейпунский, Н.Г. Берёзкина, П.А. Пшеченков, Е.С. Зотова, Б.В. Кудров, М.Ф. Гогуля, М.А Бражников, М.Л. Кусков. Алюминизированные нанокомпозиты на основе нитраминов: методика получения и исследование структуры //Физика горения и взрыва, т.45 (2009), №6, C. 35-47.

Просмотр PDF-файла онлайн

Текст 8 страницы из PDF

Инициирование зарядов осуществляется от детоцттрутощего шнура или детонатора. Заряды нс образуют микротрещин в камне даже при непосредственном контакте заряда с породой, надежно дстонируют в обводненных условиях, эластичны при отрицательных тсмпсратурах. Анд еееа к нте ий Оснааные текннческие карактернетнкн аарядоа марок ВША Здернбес А.А. Физика уирочнепия н сварки взрывом. — Ноаоснбирск: Паука, !972.— 188 сл Негредое ЛХ.А Хапрааленнос рззруыенис горкык пород ззрыаом. — С..петербург: Изд-ао петербургского университета, 1992.

— Ш5 с. Г. Н. Куцее со АНД~ННВН К9РНТйЙИЯ (Ае) — отноцгсиис характерных размеров дефекта оплошности заряда твердого топлива, пороха или ВВ и ширины зоньг горения. Характсрнзует «сопротивление» заряда проникновению горения в его дефекты. Предельное условие нормального горения дефектных и пористых зарядов Ае > А„„р Критическое значение А„составляет от 2 (СРТТ) до 10 (пироксилин) при среднем значении порядка б.

° Велеса А, Ф„Боболев В К„Крогнкое А.Н., Сулимов А А., Чуйео С В. Переезд горения кондепсирозаппык систем ао азрыа. — Ыл Наука, 1973. -292 с. С.В. Чудно Антфнцнн с1«Н19 ПРедсгавлЯет собой бесцветные кристаллы, растворяющиеся в горячем бензоле, трудно — в спирте и эфире. В пиротехнических составах применяется технический (сырой) А., являющийся смесью А. с его гомологами (фенантрепом и карбазолом) и содержащий 12 — 16% антрацснового масла. Температура вспышки сырого А. 150 — 1б0"С. Сырой А.

применяется в дымовых составах черного и белого цвета. Недостатком сырого А, является расслоение компонентов, что вызывает необходимость перед применением производить перемешивапие (усредненно, перелопачивапие). Составы на таком А. обладагот недостаточными сыпучестью и физической с габильностью, поэтому в последнее время при разработке аэрозолсобразутоших составов, составов ИК-излучения, твердых топлив пиротехнического типа используют химически чистый А, Ф.Н.Медянки 37 Лпт 1спотеопсе ваздейетеве Антронореннои вовдействни внерритнчвскнк кондвнснронаннмх систеМ (Эйч,) — воздействие человеческих факторов на изменение н саморазвитие природных обьектов и явлений, К числу таких факторов человеческой деятельности, оказывающих существенное влияние на окружающую природную среду, относятся производство, эксплуатация, использование по прямому назначению, ликвидация н утилизация энергетических конденсированных систем — твердых топлив (ТТ), порохов, ВВ и пиротехнических составов.

Серьезную экологическую опасность, обусловленную АВ, представляют исходныс компоненты ЭКС, промстоки, выбросы, технологические отходы н, особенно, продукты сгорания н взрыва (ПС и ПВ), образующиеся при проведении испытаний и пусков, ликвидации твердотопливных ракет н уничтожении зарядов, выслуживших гарантийные сроки. Токсичность многих штатных и перспективных компонентов ЗКС по своему физиологическому воздействию на организм человека находится на уровне ряда отравляющих веществ (табл.)). При этом нх содержание в производственных отходах может быть достаточно высоким (табл.2).

таб Ка ~ Характсрпстпка токспвпоств компопептов ЭКС Tаблвча 2 Содержанке токсптпык продуктов в промстоках, обрааующпхсп прп пропвводстас в лпквпдакпп зарядов ЭКС Лпстнленнд се со а Основную опасность для окружакнцсй природной среды и человека представляют хлористый водород и Лругис галогснсодсржа1ние соединения. Наряду с токсическим воздействием, галогснсодсржандие соединения оказывают разрупга~ощсс воздействие на озонный слой земной атмосферы, особенно прн пусках ракет.

Помимо хлористого водорода, имеются болыпис ограничения и на другнс продукты сгорания, в частности, на оксид алюминия, который является мутагеном. Другой продукт горения — оксид углерода представляет рсальнук> опасность в ближних зонах места подрыва, пуска нли испытания, так как на удалении, в процессе разбавления атмосфернгям воздухом, происходит снижение его концентрации до допустимых пределов. При сжигании зарядов ЭКС при пониженных давлениях (без соплового блока) достаточно высокими являются концентрации хлора. Токсические свойства некоторых продуктов сгорания представлены в табл.3.

т.сна~ у Предельно допустнмме конпентраппн некоторых продуктов стораннн ЭКС ° Роодерс гт.Ф. прнродопольаоааное. словарь-спраночннк.— мл мысль, $990; Беснамавное П П., Кровов КХЛ Предельно допустньсьм конпснтрапнн химических веществ в окружающей среде. -Лл Хамид, 1995, В, Ю. ьуелешко Ацетииеиид серебра (карбззд «еребра1 С2А)т 2. мол. масса 239,о, Т „.„- 200"С, теплота разложения 293 ккал/кг (1226 кДж/кг). Очень чувствителен к удару. Получают ЛС, пропуская (барботнруя) ацетилен чсрсз аммначпый раствор азотпокислого Гитетилеяилы серебра. В иейтралыюй или слабокислой среде образуется смешанная соль А89С7 ° АйНОз — инициирующее ВВ, мол.

масса 400,7, Т „около 220"С, расширснис в бомбе Трауцля 138 см, теплота 3 взрыва 451 икал,хкг (1888 кДж,"кг), скорость детонации 2250 и,"с при плотности 2,51 гу"сма и 4450 м~"с при плотности 5,36 гУсхсЗ. Ииицнир)нищая способность больше, чем у гремучей ртути. На практике в качестве ИВВ нс применяется. ° йагил.7.И. Химия я техиологля ияиииируююях взрывчатых всжеств. Ь1, 1975. И й.Петвисхяо,тбт1.Илююия АвветввяевНДЫ-соли ацетилена (НС в СН), слабой кислоты с рК 25, образующиеся при действии щелочных и щелочноземельпых металлов (при нагревании или в жидком аммиаке) или мсталлоорганических соединений с замещением одного или двух атомов водорода; С7Н7 + М ~ НС7М+ Н С7НЗ + Мтс -+ НС7М+ ВН А.

металлов 1 н 11 групп энергично взаимодейству~от с водой, рсгенерируя ацетилен, часто используются в органическом синтезе для введения ацетиленовой группы. Соли двухвалентной ртути, одповалентной меди, галогениды алюминия, золота, хрома, серсбра прясосдиняются к ацетилену, образуя комплсксьг С7Н7 + МХ -в С7Н7 МХ Многие комплексныс голи обладают взрывчатыми свойствами. Дизамещснпые взрывчатыс А. (СитСз, А87С7) получают при действии на ацетилен аммиачных растворов солей этих металлов. Образование красного осадка СцтСз используется лля анализа ацетилена. а Вагит ХИ. Химия и тесиолотяя жчициирую~цих взрывчатых ве~иеств.

— Ь1„!975. И.В, Иелиитяий, М.Л.Илюшия АзрозоаеобразуговЗие состава| для воздействия на вереохваяцвеаные облака и туманы. Одни, нз способов прсдотврапгения града и вызывания осадков является введение в переохлаждсннос облако аэрозоля веществ (реагснтов), являюп1ихгя центрами нуклсацпи паров воды. Аэрозоль моясно создавать различными методами, по наиболее предпочтительным считается сжигание пиротехнических составов в различного рода генераторах. Существуют два типа пнротехничсских составов, образующих при горении аэрозоль реагснта, В первом типе рсагепт вводится в состав и виде порошка. В результате сгорания состава он возгоняется, образуя аэрозоль.

Во втором типе составов рсагспт получается в процессе горения. В России предпочтение отдается первому типу составов. В качествс реагепта используется А81, который в большинстве составов Лз озоззоо зз зииис иожз от шзитис составы возгоияется за счет сгораиия термической смеси на основе перхлората аммония. При этом высокий выход активных частиц (АЧ) достигается при горении составов с резко отрицательным кислородным балансом (КВ) при температуре продуктов сгорания порядка 2200 К.

Основным требованием к составам является обеспечение максималь- ного выхода АЧ (неменее5 1012 ч,~г) при температуретумаиа минус 10"С. Для обеспсчсиия такого выхода первоначально вводили в состав до 50 — 00% Ай!. Современные составь1 содержат 2% Ая1. Показана возможность разработки составов с содержанием Ай1 порядка 0,4%. При использовании в качестве термической основы эпергстически выгодных азотсодержащих соедипсиий (азидопситои, питраты целлюлозы) высокий выход АЧ наблюдается при КБ состава, близком к нулевому.

Это позволяет применять такие составы одновременно в качестве источника АЧ и топлива, обеспечивая экологическую чистоту продуктов сгорания. Ф П. Иостзиии Азрозолвобраз рющме во1варот)(взащме составы— мпогокомпопентпые композиции с полимерной связкой, содержащие горючее, которым, как правило, является связка, окислитель и ингибитор горсиия, диспергируемый и активируемый в процессе гореиия композиции.

В качестве иигибиторов, обрыватощих цепные реакции горения углеродио-водородиых материалов (реакции СО+ 02 и Н2 + Оз), используются соединения элементов 1 группы (с наимсиьщим электронным потенциалом иоиизации). В силу экономических, технических и экологических причин предпочтение отдастся соединениям калия и, в первую очередь, кислородосодержащим (Коз, КС1Ол). Выбор полимерной связки определяется технологией изготовлеиия АПС: по тсхпологии баллиститньтх ракетных топлив изготавливаются составы иа основе пластифицированпой иитроцеллюлозы (НЦ), по технологиям смесевого РТ и пиротехпичесхих составов — в качестве связки использутотся термореактивные смолы (фснольные, эпоксидные). При компоновке АПС учитывают следующие важные требования: — содержание ингибитора при условии сохранения удовлетворительпьтх технологических, физико-химических, механических и внутрибаллистических характеристик должно быть максимальным; — ингибитор перед вводом в состав должеп подвергаться измельчепию, причем степень измельчсния должка быть максимально возможиой, по крайней морс < 2 мкм; Лз зол»об аз юнтао пажа о твынис состаВЫ Состав, свойства ПТ-50.2 ПТ.4 ПАС.47 Типа СБК Состав СЗПТ ПАС-47М (СКТВ НИИПХ («Эпотос») «Технолог») Химсостав, % масс.: 3! -65 55-90 47 (кмо + " В~НОЗ) Нитрат калия 16-35 38-39 ерхлорат калил Ннтроцеллюлоза 17,5 12,5 !8-30 10-45 Фенолформзлъленлная смола и лр.

Б.П. Жуков,

Российская Академия наук, академик

В.Б. Жуков,

Центральная межотраслевая научно-техническая лаборатория энергетических конденсированных систем

На протяжении многих веков природные катаклизмы наносили и наносят неисчислимые потери государствам мира в виде человеческих жизней, людских увечий, уничтожения многомиллиардных материальных ценностей, уничтожения селений и городов, разрушения природных условий жизнедеятельности и других тяжелейших бедствий. Среди природных катаклизмов выделяются разрушительные землетрясения, катастрофические пожары, засухи, наводнения и другие тяжелые формы их проявления. Природные катаклизмы нередко дополняются техногенными. По материалам, опубликованным МЧС, только за 10 месяцев 1998 года в России произошло 1300 крупномасштабных чрезвычайных ситуаций. Пострадало 11300 человек, погибло 1033 человека, нанесен материальный ущерб в 13 миллиардов рублей. В 1998 году нанесен тяжелейший урон природе. Только в России сгорел примерно один миллион гектаров леса. Первые месяцы 1999 года уже отмечены тяжелейшими землетрясениями и наводнениями.

Изложенное - лишь штрихи к катастрофическим катаклизмам, подчеркивающие высокую актуальность и острую необходимость результативной борьбы с ними. Возникает вопрос: существуют ли научные и инженерные основы для борьбы с катаклизмами и можно ли исключить катастрофические последствия из жизнедеятельности человеческих сообществ? Научные исследования, конструкторские разработки и применение энергетических конденсированных систем (ЭКС) во многих областях техники показали реальную возможность эффективного решения весьма трудных, но крайне актуальных проблем из группы природных и техногенных катаклизмов. Рассмотрим кратко некоторые их них. Развернутые обоснования даны в целевых докладах выдающихся специалистов по направлениям.

Землетрясения

Согласно фундаментальным исследованиям Объединенного института физики Земли и Института высоких температур РАН борьба с разрушительными землетрясениями и преобразование их в серию мелких безопасных землетрясений могут быть осуществлены на базе электромагнитных волн.1,2 Для создания электроматнитных волн в земной коре необходимы мобильные и стационарные мощные источники электрической энергии. В России, точнее в СССР, с опережением на десятилетия были созданы несколько поколений мощных мобильных и стационарных источников электрической энергии, получивших наименование твердотопливных магнитных гидродинамических генераторов электрической энергии (ТТ МГДГ). Для них были разработаны уникальные плазменные пороха, пороховые заряды, органопластиковые корпуса, генераторы низкотемпературной плазмы и другие узлы и агрегаты с наукоемкой технологией и уникальными научными и конструктивными решениями в целом по ТТ МГДГ.

Электропроводность продуктов сгорания пороховых зарядов в системе в 10 тысяч и более раз превышает любые другие эталонные пороха (ракетные, артиллерийские и др.). Мощность созданных ТТ МГДГ лежит в пределах от 10 до 550 МВТ, время горения - от нескольких до десятков секунд, работоспособность системы сохраняется в диапазоне от минус 45(С до плюс 45(С, гарантийные сроки равняются 10-12 годам.3,4

По результатам уникальных работ Института физики Земли, Института высоких температур, ЛНПО "Союз" и смежников на Гармском и Бишкекском сейсмопрогностических полигонах проводился многолетний глубинный электромагнитный мониторинг на базе ТТ МГДГ с энергией до 107 Дж и мощностью до 8 МВт. В итоге глубокого анализа было показано наличие эффекта электромагнитного воздействия на сейсмический режим, на зависимость отношений числа землетрясений до и после электромагнитного воздействия, перераспределение землетрясений в пространстве и по энергетическим классам, превышение выделенной сейсмической энергии на порядок от энергии, отдаваемой ТТ МГДГ, и т. д. Интегрально показана возможность перевода мощного разрушительного землетрясения на серию слабых безопасных землетрясений.1,2

ТТ МГДГ показали высокую эффективность и экономичность для поиска и добычи полезных ископаемых (нефти, газа, угля). Это особенно важно для России в новых геофизических условиях. ТТ МГДГ позволили также исследовать глубинное строение земной коры до 70 и более км.5 Они позволяют также создавать уникальные виды техники на новых физических принципах со сверхвысокими скоростями полета тела, представляющие высокий интерес для оценки надежности и безопасности полетов космических аппаратов, для создания лазерных и других уникальных видов техники.

Пожары, взрывы

Базой для борьбы со взрывами и пожарами являются классические способы, сложившиеся за десятилетия. Но научные и инженерные решения на базе ЭКС, опыт артиллерии и ракетной техники позволяют радикально поднять эффективность борьбы с пожарами и взрывами. При выстреле из пушки, особенно крупнокалиберной, образуется яркое, светящееся дульное пламя, слепящее боевой расчет и демаскирующее орудие. Источник пламени - взрыв газов СО, Н2 и недогоревших микрочастиц конденсированной системы, покидающих ствол орудия и смешивающихся с кислородом воздуха. Температура газов на выходе из ствола порядка 1000(С, в них содержится до 60 % монооксида углерода и до 5 % водорода. Выстрел, включающий горение порохового заряда (ПЗ), движение снаряда в стволе, смешение газов с воздухом и взрыв, происходит за микросекунды. Для борьбы с дульным пламенем еще в предвоенные годы были разработаны и осуществлены эффективные меры пламягашения. Эффект достигался при введении в состав пороха 2-3 % ингибиторов - солей калия (К2СО3 и др.).

На порохах с ингибиторами надежно осуществлялось гашение дульного пламени. Но если ингибитор вводился в состав не пороха, а заряда, например, гаубицы, в виде порошка, находящегося в пакете, ингибитора требовалось в несколько раз больше. Вероятность пламягашения снижалась, несмотря на увеличенное количество соли-ингибитора. В авиации для борьбы с возможным заглоханием авиационных двигателей при пуске ракетных систем в самолетах в состав пороха для РДТТ также были введены соли-ингибиторы. Не вдаваясь в детали механизма горения и гашения, отметим, что эффект пламягашения тем выше, чем выше степень ионизации соли-ингибитора, призванной оборвать реакцию окисления. Ионизация тем выше, чем выше температура горения и больше время пребывания в зоне горения при прочих равных условиях.6

При разработке и исследовании пламягасящих порохов зависимость эффекта пламягашения от температуры и времени подтверждается. При тушении пожаров необходимо учитывать, что при рассеивании пламягасящего облака и нового притока кислорода к горючему материалу возможно повторное воспламенение, если не снижена температура системы ниже критической, т. е. температуры воспламенения горючего материала. Пламягасящая система должна опираться на эффект обрыва реакции окисления (экзотермический эффект), снижение температуры (эндотермический эффект) и другие факторы, диктуемые назначением пламягасящей системы (экология и пр.).

За прошедшие десятилетия институтами промышленности и Академии наук созданы несколько поколений пламя- и взрывогасящих порохов и пиротехнических составов, на базе которых разработаны эффективные системы борьбы, которые по эффективности, экологии и другим параметрам в несколько раз превосходят "классические" средства (хладоны и др.). Они нашли применение в России, Германии, Австрии и в других странах. Их основные области применения - в замкнутых и полузамкнутых объемах.

К новым эффективным системам относятся аэрозольные системы с индексами "МДГ", "Пурга", ПАДы и другие конструкции, многие из которых отмечены медалями, дипломами и грамотами.7

К эффективным оригинальным пожаротушащим системам относятся также пороховые газогенераторы и пороховые аккумуляторы давления, позволяющие подавать до 250 л/с пламягасящих жидкостей на расстояния до 100 м, не требующие компрессоров, отличающиеся компактностью и постоянной готовностью к действиям. Установленные на вертолетах ПАДы позволяют создавать пламягасящие защитные полосы8 с повышенной эффективностью.

Для подавления взрывов газов и пылегазовой среды заслуживают внимания быстродействующие автоматические пламя- и взрывогасящие установки "КАПАС", разработанные ЦНИИХМ целенаправленно для угольных шахт. Аппарат срабатывает за 0,1 с. Одна установка защищает объем в 200 м3.9

Актуальность защиты шахт от пожаров и взрывов весьма и весьма велика. По статистике за 9-10 дней в угольной шахте происходит одна вспышка. С этих позиций оригинальны и, несомненно, актуальны разработки Института горного дела, позволяющие интенсивно удалять газы и не допускать взрывы. Актуальность проблемы диктуется числом людей, гибнущих и получающих увечья при таких ситуациях, а также весьма большими материальными потерями.10

Созданные эффективные композиции антипиренов и оригинальные конструктивные решения огнетушащих систем получили широкое и результативное применение. Однако они недостаточны для эффективного и быстрого подавления глобальных лесных и техногенных пожаров. Поэтому требуется создание мощных систем, основывающихся на ниже перечисленных принципах:

1. Стремительное уничтожение пламени и взрыва, т. е. обрыв цепной реакции окисления и подавление экзотермического процесса.

2. Создание и интенсивное развитие эндотермических процессов и стремительное охлаждение горючего до критической температуры, не допускающей повторного воспламенения при взаимодействии горючих компонентов среды с кислородом воздуха.

3. Образование защитной негорючей пленки на горючем материале, препятствующей реакции окисления (желательно). Для реализации этого принципа необходимо:

а) создание мощного залпа многоствольной системы (типа М-13, "Града", "Урагана"), образующего в зоне пожара аэрозольное пламягасящее облако нужных концентрации, объема и времени пребывания;

б) организация вторичного залпа, образующего водяной поток, водяное облако и охлаждение на базе ПАДов, что может быть создано горючей средой (эндотермический процесс).

Для водяного или пенно-водяного вала и его образования необходимо использовать воду и ее растворы с ингибиторами горения и пенообразования.

Прототипом комплексных систем могут служить 22-ствольная система "Вихрь", размещенная на вездеходной плавающей матине ГАЗ, с выбросом огнетушащих композиций в количестве до 100 кг с дальностью до 100 м за время, равное 1 с, а также 6-ствольная импульсная установка "Вихрь" (ген. констр. В.А. Авенян).12 Для залпа водяного потока, как уже было отмечено, могут быть использованы ПАДы на вездеходах и вертолетах.

Несомненного внимания заслуживает также проект многоствольной установки ГАПН "Сплав" (гл. конструктор Г.А. Денежкин) с выстрелом на дистанции до 1000 м и грузоподъемностью до 15000 кг.

Засуха, борьба с градом, наводнениями

и пыльными (соляными) бурями

Актуальность данной проблемы также очевидна и не требует доказательств. Убытки от этого вида катаклизмов определяются миллиардами рублей. Для решения этой проблемы разработаны и показали высокую эффективность твердотопливные ракетные системы, получившие наименование градобойных ракет. В России созданы несколько поколений градобойных ракет, в их числе "Алазань", "Кристалл" и др. Характеристики ракет и принцип дождеобразования известны и дополнительно освещены в докладе НИИПХ.12 Градобойные дождеобразующие ракеты нашли широкое применение как в бывшем СССР, так и во многих государствах мира. Они позволяют сохранять урожаи, бороться с засухой, пополнять запасы воды. Был разработан весьма оригинальный, к сожалению, не реализованный проект восстановления бассейна Азовского моря и борьбы с соляными бурями.

Актуальна для России и многих других государств эффективная борьба и недопущение весенних наводнений, ведущих к тяжелым последствиям. Наводнения, создаваемые ледяными заторами-плотинами, могли бы быть предотвращены при создании в ледяном поле проточных каналов по течению реки с помощью кумулятивных или простых линейных пороховых зарядов. Высокая эффективность ЛБПЗ многократно подтверждена при горных разработках, при резке устаревших танков, судов, глыб и железобетонных сооружений. Для ледяных полей рек могут быть использованы ПЗ, подлежащие замене по гарантийным срокам. Механизированные производства ЛКВ шнуров позволяет получать их в любых формах, габаритах и с любыми свойствами.

Конспективно изложенные выше материалы - лишь примеры фундаментального многогранного влияния ЭКС на экономику России, на жизненный уровень ее граждан, на восстановление и развитие мощного экономического потенциала государства, не говоря уже о прямой зависимости от ЭКС оборонного могущества и безопасности страны. Вместе с тем необходимо подчеркнуть, что последнее десятилетие (1988-1998 годы) характеризуется интенсивным сокращением НИР, ОКР и разрушением производства ЭКС. Восстановление серийного производства ЭКС позволило бы России ежегодно получать многомиллиардную прибыль. Тогда как интенсивное закрытие производств ЭКС приведет к катастрофическому дальнейшему развитию кризиса экономики и обороны страны.

Учитывая высокую актуальность и экономическую эффективность борьбы с катаклизмами, а также накопленный теоретический и богатый экспериментальный материал, Российская Академия наук, Министерство науки и другие ведомства сочли актуальным, необходимым и своевременным создание организационного научно-технического комитета по борьбе с природными и техно-генными катаклизмами на базе ЭКС. Комитет поручено возглавить (в качестве сопредседателей) вице-президенту РАН академику Н.П. Лаверову, члену корреспонденту РАН, заместителю министра науки Г.Ф. Терещенко и председателю научного совета РАН по ЭКС, академику РАН Б.П. Жукову.

Литература

1. Николаев А.В. О возможности искусственной разрядки тектонических напряжений с помощью сейсмических электрических воздействий. / Настоящее издание. - С. 6-10.

2. Н.Т. Тарасов, Н.В. Тарасова, А.А. Авагимов, Зейгарник В.А. Институт высоких температур РАН. / Настоящее издание. - С. 11-13.

3. Жуков Б.П. Мирный порох - на службу народному хозяйству. Сборник КБНПО "Союз", 1990.

4. Жуков Б.П. Фундаментальные и прикладные исследования в области энергетических конденсированных систем и проблемы подготовки научных и инженерных кадров. Первая конференция в России. 1996.

5. Безрук И.А. Электроразведка, нефтегазовых месторождений с МГД-генераторами. / Настоящее издание. - С. 17-21.

6. Жуков Б.П. Порох, пиротехника и специальные твердые топлива в борьбе с пожарами. Материалы научного совета при президиуме АН СССР, Сборник. 1991.

7. ФЦДТ "Союз" - Юбилейный сборник, 1997.

8. Кононов Б.В., Милехин Ю.М. Импульсные системы пожаротушения с применением пороховых газогенераторов. / Настоящее издание. - С. 25-26.

9. Фокин С.С., Кудряшов В.Г. , Бучнев И.И., Ладный С.Д., Головин Г. А. Быстродействующая автоматическая пламя- и взрывогасящая установка. ЦНИИХМ. / Настоящее издание. - С. 30-31.

10. Забурдяев В.С., Забурдяев Г. С., Козлов В.А., Сухоруков Г. И. Дегазация и увлажнение угольных пластов - эффективные методы повышения взрывобезопасности и экологии метанообильных шахт / Настоящее издание. - С. 36-40.

11. Авенян В.А., Яхимович В.Н., Харин Г.В. Импульсные средства пожаротушения, разрабатываемые ГОСНИИМАШ. Справка для КБК, 1999.

12. Обезьяев Н.В., Градобойные ракеты и пиротехнические средства пожаротушения. / Настоящее издание. - С. 41-42.

Исследование механизма безгазового горения сложных многослойных композиций с легкоплавким инертным компонентом, представляющих собой электрохимические системы, является новой и актуальной задачей, как для создания новых резервных источников тока, так и для получения методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) композитов различного назначения. В данной работе проведено измерение удельного тепловыделения при горении энергетических конденсированных систем (ЭКС) типа Zr-CuO-LiF и Zr-BaCrO4-LiF. Эксперименты проводились на быстродействующем калориметре сжигания БКС-3. Особенностью БКС-3 является возможность ускорить процесс измерения удельной энергии сгорания за счет предварительного подогрева калориметрической бомбы в печи блока управления. В результате проведенных экспериментов установлено, что удельное тепловыделение при горении катодной ЭКС Zr-CuO-LiF составляет 2654,849 Дж/г, а анодной – 4208,771 Дж/г. Удельное тепловыделение при горении высокотемпературного гальванического элемента, составленного из анодной и катодной композиций, составляет 3518,720 Дж/г. С помощью компьютерной программы «THERMO-ISMAN» проведен термодинамический анализ, рассчитаны адиабатическая температура горения, состав равновесного продукта взаимодействия в энергетических конденсированных системах и соотношение объемов исходных и конечных продуктов. Полученные экспериментальные результаты могут найти применение в технологии производства пиротехнических источников тока, а также в создании новых, перспективных композиций ЭКС.

энергетические конденсированные системы (ЭКС)

пиротехнический источник тока (ПИТ)

удельное тепловыделение

калориметр сжигания

1. Морозов Ю.Г., Кузнецов М.В., Нерсесян М.Д., Мержанов А.Г. Электрохимические явления в процессах самораспростаняющегося высокотемпературного синтеза // ДАН. – 1996. – Т. 351, № 6. – С. 780–782.

2. Филимонов И.А., Кидин Н.И. Высотемпературный синтез горением: генерация внутренних и воздействие внешних электромагнитных полей // ФГВ. – 2005. – Т. 41, № 6. – С. 34–53.

3. Морозов Ю.Г., Кузнецов М.В., Белоусова О.В. Генерация электрических потенциалов при гетерогенном горении в системах, содержащих химические элементы VI группы // Химическая физика. – 2009. – Т. 28, № 10. – С. 58–64.

4. Chemicallly driven carbon-nanotube-guided thermopower waves. Wonjoon Choi, Seunghyun Hong, Joel T. Abrahamson, Jae-Hee Han, Changsik Song, Nitish Nair, Seunghyun Baik, Michael S. Strano // Nature Materials. – 2010. – V. 9. – P. 423–429.

5. Просянюк В.В., Суворов И.С., Сигейкин Г.И., Куликов А.В. Пиротехнические источники тока – новый класс устройств резервной электроэнергетики // Российский химический журнал. – 2006. – Т. L, № 5. – C. 113–119.

6. Варёных Н.М., Емельянов В.Н., Просянюк В.В., Суворов И.С. Пиротехнический источник электрического тока // Патент РФ № 2320053, МПК Н01М 4/66; Н01М 6/36. Опубликовано 20.03.2008. – Бюлл. № 8.

7. Баринов В.Ю., Вадченко С.Г., Щукин А.С., Просянюк В.В., Суворов И.С., Гильберт С.В. Экспериментальное исследование горения трёхслойных конденсированных систем (Zr + CuO + LiF) – (LiF) – (Zr + BaCrO4 + LiF) // Успехи современной науки. – 2016. – Т. 11, № 6. – С. 7–12.

Прямое преобразование химической энергии, выделяющейся при горении гетерогенных конденсированных систем, в электрическую является одной из актуальных задач современной науки. Это определяет необходимость проведения экспериментальных и теоретических исследований процессов, протекающих при горении.

В работе было показано, что при горении ряда гетерогенных конденсированных систем происходит генерация электрического сигнала. В процессе прохождения фронта горения осуществлялась регистрация разности потенциалов между двумя металлическими электродами, погруженными в порошковую смесь. Было обнаружено, что в зависимости от состава системы возникает электрический сигнал трех типов: положительный, отрицательный и биполярный. Возникновение электрического сигнала в процессе горения получило название «ЭДС горения». Авторы считают, что горение в изученных системах происходит по механизму окислительно-восстановительных реакций с участием различных ионов, как исходных реагентов, так и промежуточных продуктов. Имеющие место при этом ионизационные процессы приводят к появлению электростатических полей в горящих системах с конденсированными продуктами реакции. Изучено поведение фронтально горящих гетерогенных систем, содержащих хром, молибден и вольфрам, применяемых для самораспространяющегося высокотемпературного синтеза сложных оксидных материалов. Обнаружено, что максимальные значения электродвижущей силы, возникающей между фронтом волны горения и продуктами синтеза, могут достигать 2 В и определяются в основном химическим составом исходной шихты.

К настоящему времени опубликован ряд работ (теоретических и экспериментальных), посвященных исследованию электрических явлений, возникающих в процессе горения различных ЭКС . Опубликованные работы не дают однозначной трактовки механизма возникновения ЭДС в процессе распространения волны горения.

Возникновение электрического импульса при горении гетерогенных порошковых смесей легло в основу создания нового класса резервных источников тока - пиротехнического источника тока (ПИТ) . ПИТ являются устройствами прямого преобразования химической энергии энергетических конденсированных систем в электрическую и представляют собой высокотемпературные резервные источники электрического тока одноразового действия, предназначенные для работы в режиме ожидания. Они получили широкое применение для автономного задействования и питания бортовой аппаратуры, приборов и устройств, исполнительных механизмов и систем управления (реле, микроэлектродвигатели и т.д.). ПИТ имеют долгий срок службы (20-25 лет), малые габаритные размеры и вес, не требуют никакого сервисного обслуживания в течение всего срока службы, прекрасно сохраняют работоспособность при температурах от -70 до +70 °С. В работе приведены электрические характеристики батарей высокотемпературных гальванических элементов (ВГЭ), выполненных из разнородных гетерогенных систем. Батарея, состоящая из двух и более ВГЭ, является пиротехническим источником тока.

В работе проведено исследование закономерностей горения трехслойных ЭКС типа (Zr + CuO + LiF)-LiF-(Zr + BaCrO4 + LiF), применяемых в качестве электрохимических систем в пиротехнических источниках тока (ПИТ). Проведенные эксперименты показали, что нарастание амплитуды до максимального значения происходит за время 0,2 с, а её максимальное значение составляет ~ 1,5 В, длительность сигнала на полуширине при этом составляет ~ 1,1 с. После достижения максимального значения величина сигнала экспоненциально уменьшается практически до нуля.

Наличие металлов, обладающих электронной проводимостью в продуктах горения анода и катода, контактирующих непосредственно, а также оксида одновалентной меди, обладающего полупроводниковыми свойствами, обусловливают уменьшение электрического сопротивления продуктов сгорания ЭКС, а также импульсный характер электрического сигнала - быстрый (~ 0,2 с) подъём напряжения до максимального значения и практически экспоненциальное падение напряжения до минимального значения.

Из вышеизложенного можно сделать вывод, что при горении двухслойных ЭКС протекают электрохимические реакции, приводящие к генерированию импульсных электрических сигналов.

Материалы и методы исследования

Исходные образцы представляли собой полоски «пиротехнической асбестовой бумаги», полученные вакуумным осаждением водных взвесей соответствующих составов с асбестом. В данных ЭКС цирконий обеспечивает высокотемпературное горение тонких гетерогенных систем при интенсивном отводе тепла из зоны горения, оксид меди CuO - активный катодный окислитель, который применяют в тепловых источниках тока. Хромат бария BaCrO4 - тонкодисперсный малогазовый окислитель. Фторид лития LiF - материал, применяемый в резервных источниках тока в качестве электролита. Площадь удельной поверхности измельчённого тонкодисперсного порошка оксида меди составляет 2400 см2/г при среднем размере частиц 4 мкм, фторида лития - 2300 см2/г и 11 мкм, циркония - 2000 см2/г и 4 мкм, бария хромовокислого - 6000 см2/г при среднем размере частиц 2 мкм. В качестве минерального связующего вещества в электродах из ЭКС применяли хризотиловый асбест (волокнистый гидросиликат магния) с теоретической формулой 3МgО·2SiO2·2Н2О с толщиной волокон 0,01-0,1 мм и длиной ~ 0,2-4 мм. Применение асбеста в данных ЭКС обеспечивает минимальный объём газообразных продуктов горения и технологическую возможность получения плоских пластин толщиной ~ 0,5 мм, которые формовали вакуумным осаждением водной взвеси компонентов на фильтровальную бумагу. При этом происходит образование структуры, подобной бумаге или тонкому шиферу. Из полученных пластин для проведений экспериментальных исследований вырезали образцы необходимой формы в виде дисков диаметром 10 мм.

Эксперименты по измерению удельного тепловыделения ЭКС Zr-CuO-LiF и Zr-BaCrO4-LiF проводили на быстродействующем калориметре сжигания БКС-3. Калориметр БКС-3 предназначен для измерения энергии сгорания твердого топлива по ГОСТ 147-95, жидкого топлива по ГОСТ 21261-91 и газообразного топлива по ГОСТ 10061-78, а также теплоты окисления и горения при различных физико-химических процессах.

Принцип работы калориметра основан на измерении количества энергии, выделяющейся в калориметрической бомбе, помещенной в измерительную ячейку БКС, путем интегрирования теплового потока, идущего от измерительной ячейки к массивному блоку (пассивному термостату). Особенностью БКС-3 является возможность ускорить процесс измерения удельной энергии сгорания за счет предварительного подогрева калориметрической бомбы в печи блока управления.

Навеска исследуемого вещества помещают в бомбу и заправляют кислородом. Предварительно бомбу необходимо подогреть в печи до температуры до 31 °С, т.е. на 2-3 °С выше рабочей температуры калориметра. Далее бомбу размещают в измерительной ячейке калориметра, после чего начинается процесс измерения. При этом после спада теплового потока от нагретой в печи калориметрической бомбы до заданного уровня, при котором спад принимает регулярный характер, автоматически поджигается вещество посредством подачи тока в спираль поджига, находящуюся в контакте с веществом внутри бомбы. Одновременно начинается интегрирование сигнала, пропорционального тепловому потоку от сгорания вещества. Сигнал сначала возрастает до своей максимальной величины, затем спадает до ранее упомянутого заданного уровня. При этом интегрирование заканчивается и на мониторе отображается численное значение измеренной теплоты.

Удельная энергия сгорания топлива определяется по формуле

Qуд = Qизм/m,

где Qуд - удельная энергия сгорания, Дж/г;

Qизм - измеренное количество энергии сгорания, Дж;

m - масса образца топлива, г.

Для каждого состава проводилась серия измерений, состоящая из 10 экспериментов. На рисунке представлен типичный вид экспериментальной зависимости сигнала при горении высокотемпературного гальванического элемента, сложенного из двух лент состава (Zr + CuO + LiF)-(Zr + BaCrO4 + LiF). Пунктирной горизонтальной линией на рисунке отмечен момент поджига исследуемого состава.

Типичный вид экспериментальной зависимости сигнала калориметра при горении высокотемпературного гальванического элемента, сложенного из двух лент состава (Zr + CuO + LiF)-(Zr + BaCrO4 + LiF)

Термодинамический анализ проводится в предположении отсутствия теплопотерь (адиабатический режим) и формирования равновесного конечного продукта. Расчет адиабатической температуры горения основан на равенстве энтальпий исходных реагентов при начальной температуре (Т0) и конечных продуктов при температуре горения (Tad). Термодинамический анализ является универсальным, так как не зависит от механизма химического взаимодействия. Расчёты проводили с помощью компьютерной программы Thermo-ISMAN. Данная программа позволяет рассчитывать адиабатическую температуру горения и равновесный фазовый состав конечного продукта.

Температуру горения измеряли с помощью вольфрам-рениевых термопар ВР5-20 диаметром 200 мкм.

Результаты исследования и их обсуждение

Проведенный термодинамический анализ показал, что основными продуктами горения ВГЭ являются одновалентный оксид меди и оксид циркония, что согласуется с данными РФА. Рассчитанная адиабатическая температура составляет 1490 К, что несколько выше измеренной экспериментально (1380 К) вследствие теплопотерь. Таким образом, отдельные компоненты и продукты сгорания системы, в том числе и электролит LiF (температура плавления составляет ≈ 850 °С), находятся в расплавленном состоянии, что минимизирует внутреннее сопротивление ВГЭ.

В результате проведенных измерений установлено, что удельная теплота сгорания ЭКС Zr-CuO-LiF составляет 2,69 кДж/г, а для ЭКС Zr-BaCrO4-LiF 4,31 кДж/г. Удельная теплота сгорания ВГЭ составила 3,52 кДж/г. Результаты измерений удельного тепловыделения при горении анодного, катодного состава и ВГЭ представлены в таблице. Установлено, что для катодного состава Zr-CuO-LiF величина удельного тепловыделения Qср составляет 2654,85 Дж/г, для анодного состава Zr-BaCrO4-LiF 4208,77 Дж/г, а для ВГЭ 3518,72 Дж/г. Полученный результат можно объяснить тем фактом, что содержание горючего (циркония) в анодной ЭКС выше, чем в катодной.

Результаты измерения удельного тепловыделения при горении ВГЭ (Zr-CuO-LiF) + (Zr-BaCrO4-LiF)

Необходимо отметить, что исследование механизма безгазового горения сложных многослойных композиций с легкоплавким инертным компонентом, представляющих собой электрохимические системы, является новой и актуальной задачей, как для создания новых резервных источников тока, так и для получения методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) композитов различного назначения. Создание и разработка подобных источников тока направлена не на получение дешевой электроэнергии или дешевой замены существующих источников тока, а на питание бортовых систем объектов, стоимость которых находится вне экономических расчетов.

Полученные экспериментальные результаты могут найти применение в технологии производства пиротехнических источников тока, а также в создании новых, перспективных композиций ЭКС.

Заключение

С помощью калориметра сжигания БКС-3 проведено экспериментальное исследование тепловыделения при горении энергетических конденсированных систем Zr-CuO-LiF и Zr-BaCrO4-LiF. В результате проведенных экспериментов установлено, что удельное тепловыделение при горении катодной ЭКС Zr-CuO-LiF составляет 2654,849 Дж/г, а анодной - 4208,771 Дж/г. Удельное тепловыделение при горении высокотемпературного гальванического элемента, составленного из анодной и катодной композиций, составляет 3518,720 Дж/г. Проведен термодинамический анализ, рассчитаны адиабатическая температура и равновесный фазовый состав конечного продукта. Установлено, что температура горения ЭКС, измеренная с помощью термопар, ниже расчетной из-за теплопотерь.

Библиографическая ссылка