СОЗДАНИЕ ИНТЕНСИВНОГО ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С

УДК 662.1
А.Ю. Ершов1, Д.Б. Демьяненко2,
В.А. Андреева3, С.В. Егоров4
СОЗДАНИЕ ИНТЕНСИВНОГО
ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
С ПОМОЩЬЮ
ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ
КОМПОЗИЦИЙ
Санкт-Петербургский государственный
технологический институт (технический университет)
190013, Санкт-Петербург, Московский пр-т, д. 26
ФГУП “Специальное конструкторскоnехнологическое бюро “Технолог
192076, Санкт-Петербург, Советский пр., д. 33-а
Показаны перспективные направления построения пиротехнических
композиций для создания интенсивного теплового излучения с целью
изучения стойкости образцов техники, элементов конструкций сооружений, а также средств защиты персонала. Экспериментально определен оптимальный компонентный состав композиций и изучены их основные характеристики. Разработано математическое описание зависимости интенсивности теплового излучения, создаваемого группой
пиротехнических зарядов на поверхности испытываемого объекта от
геометрических параметров линии зарядов и характеристик пиротехнических составов, позволяющее рассчитать оптимальные значения
параметров зарядов и прогнозировать достижимую величину мощности
теплового излучения.
Ключевые слова: тепловое излучение, пиротехнические составы,
нитрат бария, алюминий, магний, группа зарядов, расчетная оценка,
стойкость конструктивных элементов и средств защиты.
В производственных условиях источниками интенсивного теплового излучения являются поверхности
раскаленных слитков, стенки котлов, нагревательных
приборов, открытое пламя печей и многие другие объекты. В аварийных ситуациях, в том числе при пожарах,
интенсивное излучение создается пламенем горящих
твердых,
жидких
или
газообразных
веществ.
Значительное по мощности тепловое излучение возникает
также при срабатывании некоторых боеприпасов. Спектральный диапазон такого излучения довольно широк и
включает как видимую, так и инфракрасную области
спектра [1].
В связи с этим актуальной является задача испытаний средств защиты персонала, образцов техники, элементов зданий и сооружений, а также конструкционных
материалов на стойкость к воздействию интенсивного
теплового излучения.
Известно применение в качестве источников теплового излучения при испытаниях материалов и конструктивных элементов трубчатых и ленточных излучателей из
карбида кремния (силитовых), из нихрома, вольфрама, а
также из угля и графита. Применяются дуговые ксеноновые лампы и угольные дуговые источники [2]. Имеются
сведения об использовании для проведения таких испытаний пламени горящей смеси алюминия с жидким кислородом [3].
Перечисленные средства требуют мощных источников электрического питания, что возможно в условиях
лабораторных исследований образцов материалов и дета1
2
3
4
лей конструкций ограниченных габаритов, однако для
проведения экспериментов в полигонных условиях с объектами
значительных
размеров
такие
средства
малопригодны.
Одним из возможных источников мощного теплового излучения является пламя горящих пиротехнических
зарядов.
Известно [4], что зависимость плотности излучения rλ, Вт/м2·мкм, пиротехнических составов от длины
волны излучения λ, мкм, близка к спектральной кривой
серого тела с наложенным на нее излучением в отдельных полосах и линиях спектра, имеющим повышенную
интенсивность (рисунок 1).
Рисунок 1. Спектральная плотность излучения осветительного пиротехнического состава [4].
Излучательная способность пламени состава Rд,
Вт/м2, в каком-либо диапазоне длин волн, например, ви-
Ершов Андрей Юрьевич, инженер, отд. 72 ФГУП “СКТБ “Технолог”, e-mail: [email protected]
Демьяненко Даниил Борисович, д-р техн. наук, профессор, каф. высокоэнергетических материалов СПбГТИ(ТУ), e-mail: [email protected]
Андреева Валентина Андреевна, канд.техн.наук, ст.науч. сотр., каф. высокоэнергетических материалов СПбГТИ(ТУ), e-mail: [email protected]
Егоров Сергей Владимирович, аспирант, каф. высокоэнергетических материалов СПбГТИ(ТУ), e-mail: [email protected]
Дата поступления – 12 сентября 2013 года
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА ЭНЕРГОНАСЫЩЕННЫХ СИСТЕМ
В отдельных составах применяются порошки титана, циркония и других элементов. Так, известна рецептура твердого топлива [12], содержащая 40-46 % циркония, перхлорат аммония и органическое горючее (до 26
%). Зажигательная смесь [13, 14] включает до 60 % горючего – комбинации из титана и бора, окислителем является политетрафторэтилен.
На основании полученных данных можно заключить, что перспективными композициями для создания
интенсивного теплового излучения могут быть смеси на
основе алюминия, магния или их сплавы, титана, циркония в качестве горючего (при содержании в смеси 30-60
% мас.) и нитраты бария, натрия, перхлораты натрия,
калия, аммония, органических фторсодержащих соединений в качестве окислителя.
Мощность теплового излучения (облученность),
приходящаяся на единицу площади испытываемого объекта R, Вт/м2, определяется зависимостью [6]:
I
(2)
R  2 cos
L
Высота пламени, мм
где I - сила излучения пламени заряда, Вт/ср; L - расстояние от заряда до объекта, м; соsα - косинус угла α между
прямой, соединяющей заряд и объект, и нормалью к поверхности объекта. Следовательно, для обеспечения максимальной облученности испытываемого объекта необходимо использовать пиротехническую композицию с
наибольшей величиной сила излучения пламени.
Экспериментальные измерения силы излучения,
а также силы света, температуры и длины форса пламени
были проведены для составов нитрат бария – алюминий,
нитрат бария – магний, нитрат натрия – магний, фторопласт-4 – магний, фторопласт-4 – алюминиевомагниевый
сплав при значениях кислородного (фторного) баланса 0
… -45 как в виде двухкомпонентных смесей, так и с добавками олифы, серы, оксида железа, фторопласта Ф-32,
сульфата кальция и антрацена на прессованных образцах
в картонных оболочках диаметром 16 мм.
Полученные данные показывают, что для всех
применявшихся окислителей и горючих сила излучения
образца пиросостава, как правило, тем выше, чем больше
его скорость горения. Длина форса пламени также увеличивается при повышении скорости горения составов (рисунок 2).
Сила излучения, Вт/ср
димого излучения (ВИ) или инфракрасного излучения
(ИКИ), равна площади под кривой на соответствующем
участке длин волн. Излучательная способность во всем
диапазоне длин волн (интегральная излучательная способность, RT) равна площади под всей кривой. Следовательно, если пламя какой-либо пиротехнической композиции имеет высокую излучательную способность в видимом
или инфракрасном диапазоне, то оно пропорционально
должно обеспечивать и значительную величину RT, поэтому перспективными для создания мощного теплового
излучения должны быть осветительные и фотоосветительные составы, характеризующиеся высокой силой света, и композиции инфракрасного излучения [4, 5].
Согласно закону Стефана-Больцмана, интегральная излучательная способность тела RT, Вт/м2, пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры
[6]:
RT = εσT4
(1)
где Т - температура тела, К, ε - коэффициент черноты
тела, σ = 5,67·10-8 Вт/м2·град - постоянная излучения. В
соответствии с (1), интенсивное тепловое излучение
должны обеспечивать пиротехнические составы с наиболее высокими температурами горения. По данным [4],
температуры горения фотоосветительных составов находятся в интервале от 2500 до 3500 С, осветительных и
трассирующих – от 2000 до 2500 С, зажигательных (содержащих окислитель) – от 2000 до 3500 С, твердых ракетных топлив – от 2000 до 2900 С, сигнальных – от 1200
до 2000 С, дымовых – от 400 до 1200 С.
В соответствии с этими данными, при построении
рецептур составов интенсивного теплового излучения в
качестве аналогов возможно использование рецептур
фотоосветительных, осветительных, зажигательных составов, включающих металлическое горючее и окислитель, а также твердых ракетных топлив. Анализ информации о пиротехнических композициях данных видов, а также составах инфракрасного излучения, позволил установить, что в рецептурах композиций всех указанных групп
в качестве горючего используется порошок или пудра
алюминия, при содержании его в составе 10-54 % мас. [4,
7-9 и др.]. В качестве окислителя применяется нитрат
бария, нитрат калия, нитрат натрия и перхлорат калия; в
твердых ракетных топливах, составах инфракрасного излучения и зажигательных смесях – также перхлорат аммония. Для повышения эффективности действия пиросоставов в их рецептуры вводятся добавки неорганических
веществ (в частности, серы или оксидов железа), полимеров или органических нитросоединений (до 10-46 % мас.).
На основе порошка магния (при содержании 2054 % мас.) изготавливаются большинство осветительных
композиций, а также некоторые фотосмеси, составы инфракрасного излучения и зажигательные [4, 5, 8, 10 и
др.]. Окислителем могут являться нитраты бария, стронция, натрия, перхлораты натрия и калия, политетрафторэтилен; а в составах инфракрасного излучения –
перхлорат аммония. Для усиления излучения в видимой
области применяются добавки оксалата или сульфата
кальция (9-40 %), а также до 25 % органических нитросоединений, в инфракрасной области – антрацена. Осветительные смеси обычно включают 2-6 % мас. связующего
(например, льняное масло, касторовое масло или синтетические полимеры).
Известны рецептуры осветительных, фотоосветительных и зажигательных композиций, содержащие наряду с алюминием также магний, как в виде смеси порошков
металлов, так и в виде алюминиевомагниевого сплава [4,
5, 7, 11 и др.], при общем количестве горючего 22-60 %.
По компонентному составу и свойствам такие композиции
аналогичны магниевым смесям.
2500
2000
1500
1000
500
0
0
5
10
15
20
Скорость горения, мм/с
Рисунок 2. Зависимость силы излучения и длины пламени пиротехнических составов от скорости горения: ▲▲ - экспериментальные точки
и аппроксимирующая кривая для силы излучения пламени; ■■ - экспериментальные точки и аппроксимирующая кривая для длины форса
пламени.
Сопоставляя характеристики композиций с близкими скоростями горения, можно отметить, что в боль-
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА ЭНЕРГОНАСЫЩЕННЫХ СИСТЕМ
шинстве случаев заряды с большей длиной пламени обладают и повышенной силой излучения (рисунок 3).
Сила излучения,
Вт/ср
1200
1000
800
600
400
200
0
250
330
490
Длина пламени, мм
Рисунок 3. Взаимосвязь силы излучения и длины форса пламени в
группе пиротехнических композиций на основе магния и неорганического нитрата со скоростью горения 7,1±0,2 мм/с
Максимальные величины силы излучения зарегистрированы для систем нитрат бария – магний и нитрат
натрия – магний. Сравнение характеристик этих групп
составов позволяет заключить, что при одинаковых скоростях горения сила излучения смесей на основе нитрата
бария значительно выше (рисунок 4). При этом сила света
этих смесей ниже, чем для нитратнонатриевых композиций.
3000
сгорании 1 г пиротехнического состава за 1 секунду. Зависимость (3) может быть записана также в виде:
I0,25–5,5 = L0,25–5,5 ρ Uгор πD2/4
(4)
где ρ - плотность запрессованного в заряд пиротехнического состава, г/см3, D - диаметр заряда, см, Uгор - скорость горения, см/с. Из (4) следует, что, при равных диаметрах и скоростях горения зарядов, сила излучения
должна быть тем больше, чем выше удельная энергосумма и плотность пиротехнической композиции.
Расчеты показали, что величина удельной энергосуммы систем нитрат бария – магний находятся в пределах 230 – 410 Дж/стер·г при плотности 2,3-2,5 г/см3,
при этом для большинства смесей нитрат натрия – магний
удельная энергосумма и плотность значительно меньше –
167-240 Дж/стер·г и 1,9-2,01 г/см3, соответственно, чем и
могут объясняться более низкие величины силы излучения этой группы составов.
Максимальные характеристики получены для составов нитрат бария – магний (кислородный баланс - 15,
скорость горения 13,7 мм/с, сила излучения образца диаметром 15 мм 2020 Вт/ср, удельная энергосумма 370
Дж/ср·г) и нитрат бария – магний – олифа (кислородный
баланс - 25, скорость горения 6,3 мм/с, сила излучения
образца диаметром 15 мм 1180 Вт/ср, удельная энергосумма 450 Дж/ср·г).
Очевидно, что интенсивность облучения протяженной поверхности испытуемого объекта за счет пламени горящих пиротехнических зарядов, установленных в
линию, зависит не только от характеристик состава, но и
от геометрических параметров линии. Для оценки оптимальных значений параметров линии зарядов и возможной величины мощности теплового излучения было предложено математическое описание зависимости облученности объекта от вышеуказанных параметров.
Предполагалось, что заряды в количестве N, шт.
(N - нечетное число), установлены на расстоянии D, м,
друг от друга на прямой линии (рисунок 5).
Сила излучения, Вт/ср
2500
2000
1500
1000
500
0
0
5
10
15
20
Скорость горения, мм/с
Рисунок 4. Зависимость силы излучения от скорости горения для композиций нитрат бария – магний и нитрат натрия – магний: ▲▲ - экспериментальные точки и аппроксимирующая кривая
для композиций нитрат бария – магний; ■■ - экспериментальные точки
и аппроксимирующая кривая для композиций нитрат натрия – магний.
Для определения причин этого явления для исследуемых составов были рассчитаны значения удельной
энергосуммы L0,25–5,5 (Дж/стер·г):
L0,25–5,5 = I0,25–5,5·t/m
(3)
где t - время горения заряда, с, m - масса заряда, г, I0,25–5,5
- сила излучения заряда, Вт/ср. Удельная энергосумма
характеризует энергию излучения, выделяющуюся при
Рисунок 5. Схема расположения облучаемого объекта и зарядов в
линии
Каждый из зарядов образует при горении пламя
диаметром D, м, высотой Н, м; имеющее силу излучения I,
Вт/ср. Облучаемый объект О находится на расстоянии l, м
от линии напротив середины пламени центрального заряда.
Тепловой поток Ri, Вт/м2, создаваемый i-ым зарядом на объекте О, равен сумме потоков Re, создаваемых
всеми элементарными излучающими участками пламени
(ИУ) заряда. Установлено, что Ri связан с параметрами
зарядов и величиной l следующим соотношением:
H 2
Ri 

H 2

Il
H l  D 2i 2  h 2
2

3
dh
2
(5)
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА ЭНЕРГОНАСЫЩЕННЫХ СИСТЕМ
Общий тепловой поток R, Вт/м2, создаваемый на
объекте О линией зарядов, равен сумме потоков Ri всех
зарядов, т.е.
n
R  R0   2Ri
(6)
1
Расчеты теплового потока R с применением формулы (6) производились с помощью программы Mathcad 14
для значений диаметра пламени D = 0,03 м, 0,05 м и 0,1
м, длины пламени Н= 0,7 м при расстоянии между объектом и линией зарядов l = 1 м и для диаметра заряда D =
0,05 м при расстоянии между объектом и линией зарядов l
= 2 и 4 м.
Как показали результаты расчетов (рисунок 6), с
увеличением количества зарядов в линии величина создающегося теплового потока R вначале быстро увеличивается, далее повышение происходит уже в меньшей степени, а начиная с некоторого значения длины линии W,
даже при существенном увеличении количества зарядов в
ней тепловой поток лишь незначительно возрастает,
асимптотически приближаясь к некоторой максимальной
величине Rмакс.
Рисунок 6. Характер зависимости мощности теплового потока, создаваемого линией зарядов на расстояниях 1, 2 и 4 м, от количества
зарядов (иллюстрирующий расчет для зарядов диаметром D = 0,05 м с
I = 1 кВт/ср)
Значение Rмакс зависит от диаметра зарядов и
расстояния от линии до объекта l, м. В качестве оптимальной для практического использования представляется
целесообразным выбрать величину длины линии зарядов
W90, м, при которой тепловой поток достигает значения 90
% от максимально возможного: R90 = 0,9 Rмакс. Согласно
расчетам, величина W90 не зависит от диаметра зарядов и
связана с расстоянием l зависимостью W90 ~ 4,2 l, м;
например, при l = 1 м W90 ~ 4,25 м, а тепловой поток R90
= 57,92 I (для D = 0,03 м); 34,7 I Вт/м2 (D = 0,05 м) и
17,38 I (D = 0,1 м).
С учетом выражения (4) можно заключить, что
величина теплового потока (облученности объекта) прямо
пропорциональна удельной энергосумме, плотности и
скорости горения пиротехнического состава, из которого
изготовлен заряд, и возрастает с увеличением диаметра
заряда.
Необходимо отметить, что вышеприведенные
рассуждения справедливы для точечного объекта, т.е.
размеры которого пренебрежимо малы по сравнению с
величиной расстояния l. В том случае, если облучаемый
объект имеет значительную длину, общая длина линии W,
м, должна быть рассчитана по формуле W = W90 + Wоб ,
где Wоб, м - длина облучаемого объекта. Как следует из
вышеизложенного, величина теплового потока R, Вт/м2,
на поверхности объекта при этом будет определяться
полученными зависимостями с точностью не менее ± 10
%.
В качестве примера можно привести результат
расчета по оценке облученности объекта, которая может
быть получена при работе линии зарядов диаметром 0,05
м, снаряженных составом нитрат бария – магний – олифа
(540 Дж/ср·г). При длине линии 4,25 м на расстоянии 1 м
от линии расчет дает величину мощности теплового потока 458 кВт/м2, что превышает значение, достигаемое с
использованием электрических источников излучения.
Заключение
Результаты проведенных экспериментальных исследований и расчетов позволили впервые установить,
что максимальную силу излучения в диапазоне длин волн
0,25-5,5 мкм создают композиции на основе магния и нитрата бария при минимальном содержании связующего с
отрицательным кислородным балансом.
Разработана методика расчетного прогнозирования мощности теплового потока, создаваемой группой
пиротехнических зарядов на поверхности облучаемого
объекта, позволяющая подобрать оптимальные для проведения испытаний рецептуру пиросостава и характер
размещения зарядов относительно объекта.
Литература
1. ГОСТ 12.4.221-2002. Одежда специальная для
защиты от повышенных температур теплового излучения,
конвективной теплоты. Общие технические требования М.,
ИПК “Издательство стандартов”, 2002 9 с.
2. Андрейчук О.Б., Малахов Н.Н. Тепловые испытания космических аппаратов. М.: Машиностроение, 1982. 143
c.
3. Chambers B. S. Modeling Thermal Environments in
Large Blast/Thermal Simulator (LB/TS).- БД National Technical
Information Service, U.S. Department of Commerce, 1986.
4. Шидловский А. А. Основы пиротехники, изд. 4. М.:
Машиностроение, 1973. 292 с.
5. Hardt A.P. Pyrotechnics. Idaho: Pyrotechnica Publications, 2001. 430 р.
6. Козелкин В.В., Усольцев И.Ф. Основы инфракрасной техники. М.: Машиностроение, 1967. 308 с.
7. John A. Conkling. Chemistry of pyrotechnics. N.Y.: Marcel Dekker, Inc. 190 р.
8. Pyrotechnic composition containing poly-carbondifluoroamine as oxidising agent, used in infrared decoy devices
such as flares for defence against heat-seeking anti-aircraft missiles: пат. 102004018861, Германия, МПК7 C06B27/00
C06C15/00 , опубл. 10.11. 2005
9. Stabilized propellent compositions containing hydrazine nitroform and nitrocellulose: пат. 3307985 США, МПК7
C06B23/00 C06B25/20 C06B47/08 опубл. 7.03.1967
10. Pyrotechnic charge and illuminating bomb which
contains said charge: пат. 2067419, Испания, МПК7 C06B33/04
C06B33/04 F42B4/26 опубл. 16.03.1995
11. Melanges de produits incendiaires a base de metau:
пат. 2537572 Франция, МПК7 C06B21/00; C06B45/04;
F42B13/14, опубл. 15.06.1984
12. Rocket propellent compositions пат. 1059261 Великобритания, МПК7 C04B33/02 C06B33/02 C06B33/06, опубл.
15.02.1967
13. Lower burning rate, reduced hazard, high temperature incendiary: пат. 6485586 США, МПК7 C06B27/00;
C06C15/00; C06B45/10, опубл. 26.11.2002
14. Firebomb igniter devices and components therefore: пат. 3669020 США, МПК7 F42B12/44, опубл. 13.06.1972