В ноябре 2000 г. в Риме прошла практическая конференция, посвященная проблемам использования ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ). Наметившееся повышение интереса к РДТТ повлекло за собой разработку ряда перспективных ракет-носителей с двигателями этого типа. Вместе с тем, эффективное применение твердотопливных двигателей по-прежнему сопряжено с необходимостью решения проблем, связанных с наличием конденсированной фазы в продуктах сгорания двигателей.

Наличие конденсированной фазы - жидких и твердых частиц окислов металла - является особенностью продуктов сгорания РДТТ. Информация об уровне дисперсности этих частиц необходима для диагностики протекающих в двигателях процессов.

В Центре Келдыша разработана экспериментальная установка (рис. 1), позволяющая проводить забор пробы из камеры сгорания любых РДТТ. Эксперименты, проведенные с помощью этой установки, позволили получить необходимые для расчетов функции распределения частиц, зависящие от давления, рецептуры топлива, содержания конденсированной фазы и габаритов камеры.

Установка включает в себя пробоотборник с прогорающей в процессе работы заслонкой, охлаждающий тракт, обратный клапан, циклон, барботажную камеру и фильтровальное устройство, которые обеспечивают практически стопроцентный захват частиц различных размеров.

Полученные в результате экспериментов частицы конденсированной фазы, препарируются и подвергаются химическому и рентгеноструктурному анализу с целью определения состава.

Дисперсный анализ частиц осуществлялся по методу В.И. Шевцова и Е.И. Гусаченко (ОИХФ, г. Черноголовка). В основу метода положено седиментационное разделение пробы на две фракции (крупную и мелкую) с последующим прямым обсчетом частиц соответственно под оптическим и электронным микроскопами.

Для крупной фазы механизм образования окислов представляет собой гетерогенное окисление с последующим накоплением окиси на горящей поверхности исходного металла, как правило, алюминия. Для мелкой - парофазный механизм с образованием ядер конденсации (Al2O3) на некотором расстоянии от поверхности горящей частицы и дальнейшим их ростом вследствие броуновской коагуляции.

Микроскопический анализ конденсированной фазы показал, что частицы мелкой фракции имеют, в основном, правильную сферическую форму, но несколько деформированы.

При подробном рассмотрении мелкой фракции в продуктах сгорания некоторых видов топлив были обнаружены частицы весьма незначительных размеров (сотни ангстрем) и очень узкого спектра.

Количественный анализ проводился в ОИХФ по результатам обмера частиц под электронным и оптическим микроскопами. В результате исследований были получены массовые плотности распределений и средние размеры частиц (среднемассовый - d43 и др.). Полученные кривые имели бимодальный характер, отражающий два основных физико-химических процесса спектрообразования.

Анализ показал, что наибольшее влияние на размер и форму частиц оказывает давление в камере сгорания РДТТ. Зависимость d43 от давления имеет немонотонный характер с ярко выраженным минимумом при давлении около 20 атм.

При расчете двухфазного течения можно пользоваться эмпирической зависимостью, связывающей среднемассовый размер частиц с величиной давления pк:
d43 = exp{A + B·ln (pк) + C·ln2 (pк)},
где А = 1,2038722, В = - 0,069493473, С = 0,17513870.

Существенное влияние на размер частиц оказывает исходный спектр. Диаметр частиц агломерата пропорционален диаметру частиц исходного порошка металла. Размер частиц мелкой фракции зависит от количества металла, испарившегося с поверхности.

Важным моментом при анализе эволюции диаметра частиц является учет влияния размеров камеры РДТТ, определяющих время пребывания частиц в потоке tпр.

С ростом диаметра D камеры сгорания РДТТ среднемассовый размер частиц увеличивается. Соответствующая корреляционная зависимость может быть аппроксимирована формулой d43 = 1,6·D0,2, с помощью которой можно прогнозировать уровень дисперсности конденсированной фазы для натурных двигателей.

В настоящее время в Центре Келдыша накоплен значительный объем информации о параметрах дисперсности продуктов сгорания основных смесевых твердых топлив. Центр располагает всем необходимым для проведения соответствующих исследований применительно к топливам любого типа.

Рис. 1. Установка для отбора конденсированной фазы из камеры сгорания и из факела модельного РДТТ (dкр = 50 мм). фильтр-элемент; дроссельная шайба; барботажная камера; циклон; обратный клапан; газоход; корпус; пробоотборник; воспламенитель; заряд	Рис.2 Крупная фракция
Рис.3 Мелкая фракция	Рис.4 Зависимость среднемассового размера от давления в камере