Управление подводным горением двухосновных твёрдых топлив

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ 
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
 
 
 
В.Д. Барсуков, С.В. Голдаев,  
Н.П. Минькова, С.А. Басалаев 
 
 
УПРАВЛЕНИЕ  
ПОДВОДНЫМ ГОРЕНИЕМ 
ДВУХОСНОВНЫХ ТВЁРДЫХ ТОПЛИВ 
 
 
Под ред. проф. В.Д. Барсукова 
 
 
 
 
 
 
 
 
Томск 
Издательский Дом Томского государственного университета 
2016 

УДК 536.46:662.3:551.46.077 
ББК (24.54 + 22.253.3):26.221 
         У61 
 
Барсуков В.Д., Голдаев С.В., Минькова Н.П., Басалаев С.А. 
У61 
Управление подводным горением двухосновных твёрдых 
топлив / под ред. В.Д. Барсукова. – Томск : Издательский Дом 
Томского государственного университета, 2016. – 168 с. 
 
ISBN 978-5-94621-536-7 
 
В монографии изложены основные результаты исследований, полученные за последнее десятилетие в рамках нового научно-технического 
направления по зажиганию и горению конденсированных веществ в водной среде. Представлено теоретическое и экспериментальное обоснование 
возможности подводного зажигания и горения двухосновных твёрдых 
топлив с использованием подвижного локализатора зоны газообразования. 
Также представлены результаты экспериментов по исследованию подводного горения указанных топлив в поле центробежных сил. Обсуждены 
перспективы возможного практического использования полученных результатов. 
Для научных работников, студентов и аспирантов, специализирующихся в области применения унитарных твёрдых топлив в энергетических 
устройствах для подводного использования. 
 
УДК 536.46:662.3:551.46.077 
ББК (24.54 + 22.253.3):26.221 
 
Рецензенты: 
Ю.М. Максимов, профессор, доктор технических наук, заслуженный деятель науки РФ, 
начальник отдела макроструктурной кинетики ТНЦ СО РАН; 
А.Ю. Крайнов, доцент, доктор физико-математических наук, 
профессор кафедры математической физики физико-технического факультета 
Томского государственного университета 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-94621-536-7 © Барсуков В.Д., Голдаев С.В., Минькова Н.П., Басалаев С.А., 2016 
        © Томский государственный университет, 2016

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 
 
a – температуропроводность, м2/с 
cp – удельная массовая теплоемкость при постоянном давлении, 
Дж/(кг·К) 
cv – удельная массовая теплоемкость при постоянном объеме, 
Дж/(кг·К) 
D, h – внутренний диаметр и высота локализатора, м 
d0  – диаметр стержня, м 
Dc – диаметр шашки, м 
ef  –  толщина сгоревшего свода, м 
Ef  – энергия активации, Дж/моль 
F – площадь поверхности теплообмена, м2; 
F, FA, FT – сила, сила Архимеда, сила тяги, Н 
G – массовый расход, кг/с; относительная перегрузка 
g – ускорение при свободном падении, м/с2 
I – сила тока, А 
k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К) 
L – расстояние от поверхности воды до местоположения шашки; расстояние от распылителя до наиболее удалённой точки помещения, м 
l и L0 – расстояния от центра тяжести противовеса и образца до 
оси разворота камеры сжигания, м 
M, m – масса, кг; массовая скорость горения, кг/(м2с) 
n – частота вращения камеры сжигания, с–1 
N, Np – мощность, мощность нагревателя, Вт 
p – давление, МПа 
q – плотность теплового потока, Вт/м2 
Q – тепловой поток, Вт 
qk – тепловой эффект реакции, Дж/кг 
QLW – тепловые потери при взаимодействии газов с водой и 
стенками стакана, Вт 
qr – плотность теплового потока за счет лучистого теплообмена, 
Вт/м2 

qv – объемная мощность источника теплоты, Вт/м3 
r – радиус, м 
d – диаметр, характерный размер, м 
Rg – удельная газовая постоянная продуктов сгорания, Дж/(кг·К) 
Rp – электрическое сопротивление нагревателя, Ом 
RT – термическое (тепловое) сопротивление, м2·К/Вт 
Ru – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·К) 
Sz – площадь зазора между боковой частью шашки и стенкой 
локализатора, м2 
t – время, с 
T – температура, К 
u – линейная скорость горения, мм/с 
U – скорость движения, м/с; электрическое напряжение на 
нагревателе, В 
V – вместимость пространства (зазора), занятого продуктами 
сгорания, м3 
W – вместимость помещения, м3 
x, y – координаты, м 
z0 – предэкспоненциальный множитель, 1/с 
α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К) 
αk – коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м2·К) 
αr – коэффициент лучистого теплообмена от продуктов сгорания к поверхности ДТТ, Вт/(м2·К) 
δ – толщина зазора между поверхностью горения и стенками 
стакана, толщина пламени, м 
ε – степень черноты 
η – относительная концентрация продуктов реакции 
Θ – безразмерная температура 
λ – теплопроводность, Вт/(м·К) 
μz – коэффициент расхода газов при их истечении в окружающую среду 
ν – линейная скорость истечения жидкости из распылителя, м/с 
ξ, η – безразмерные координаты 
ρ – плотность топлива, кг/м3 

ρ0 – удельное электрическое сопротивление проводника, 
Ом·мм2/м 
ρf, ρl – плотности ДТТ и воды, кг/м3 
σ0 – постоянная Стефана–Больцмана, Вт/(м2·К4) 
σp – площадь поперечного сечения проводника, мм2 
σw – коэффициент поверхностного натяжения, Н/м 
τ – время импульсной подачи жидкости, с 
τin – время стадии инертного прогрева, с 
χ – коэффициент сохранения теплоты 
Bi  – число Био, равное 
0
α /λ
l
 

Fo – число Фурье, равное 
2
0
τ /
a
l  
Prb – число Прандтля, равное ν
ρ /λ
b
pb
b
b
c


 

Gr – число Грасгоффа, равное 

 


3
2
δ
/ ν
p
w
m
g
T
T
T



 

Nu – число Нуссельта, равное 
0
α
/λc
l
 

Po – число Померанцева, равное 


2
0 / λ
v
c
q
r
T

 
Pem 
– 
модифицированное 
число 
Пекле, 
равное 





/
ρ
/
σ /
ρ
ρ
h
w w
w
w
w
v
q
a r
g









  

ДТТ – двухосновное твердое топливо 
ОТГ – открытый твердотопливный газогенератор 
ПАД – пороховой аккумулятор давления 
ПЛЗГ – подвижный локализатор зоны газообразования 
РДТТ – ракетный двигатель на твердом топливе 
СН – спираль накаливания 
ТГГ – твёрдотопливный газогенератор 
ТС – термостойкий стакан 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Одна из первых попыток рассмотреть перспективы использования твёрдотопливных источников энергии при освоении Мирового 
океана и других водных бассейнов предпринята в книге В.Д. Барсукова и С.В. Голдаева «Подводное зажигание и горение унитарных твёрдых топлив», вышедшей в Издательстве Томского государственного университета в 2003 году. В работе была обоснована 
возможность создания открытых (бескорпусных) твёрдотопливных газогенераторов (ОТГ) и намечены пути их использования в 
средствах механизации проведения поисково-спасательных, подводно-технических и судоподъёмных работ.  
В предлагаемой монографии изложены основные результаты 
исследований в данном направлении за последнее десятилетие, 
полученные в Научно-исследовательском институте прикладной 
математики и механики Томского государственного университета.  
В первой главе приведён краткий обзор известных открытых 
газогенераторов с частичной локализацией зоны газообразования. 
Представлена принципиальная схема подвижного локализатора 
зоны газообразования (ПЛЗГ). Проведено экспериментальное и 
теоретическое обоснование надёжности зажигания и стационарного горения топливной шашки двухосновного твердого топлива при 
наличии ПЛЗГ. Приведена физико-математическая модель подводного зажигания топлива плоской спиралью накаливания умеренной и малой мощности. Выявлены возможные режимы подводного горения. Разработана методика расчёта основных параметров, 
обеспечивающих функционирование газогенератора с ПЛЗГ в докритическом режиме. Приведены экспериментальные результаты 
по подводному горению топливной шашки для случая дополнительного поджатия ПЛЗГ. 
Вторая глава посвящена теоретическому и экспериментальному 
обоснованию возможности обеспечения управления темпом газообразования с помощью ПЛЗГ. Приведён краткий обзор известных 

твёрдотопливных газогенераторов и ракетных двигателей, реализующих различные способы управления газоприходом. Представлена принципиальная схема подвижного локализатора зоны газообразования с постоянным источником нагрева, обеспечивающего 
возможность управления интенсивностью газообразования, а также допускающего произвольное количество зажиганий топливной 
шашки и последующих прерываний горения. Проведено теоретическое и экспериментальное обоснование работоспособности 
представленного устройства. В качестве приложения обсуждены 
возможные варианты его использования для регулируемой продувки глубоководного понтона, а также для порционной подачи 
жидкости при пожаротушении. 
Третья глава посвящена подводному горению двухосновного 
твёрдого топлива в поле массовых сил. Представлена схема разработанной на уровне изобретения установки для исследования 
подводного горения твёрдых топлив в поле центробежных сил. 
Приведены результаты экспериментальных исследований подводного горения для двух принципиально различных процессов: 
при движении фронта газообразования по ходу и против направления действия массовых сил. Представлена физико-математическая модель охлаждения всплывающих пузырьков продуктов горения в поле массовых сил. В качестве приложения обсуждена возможность использования центробежных сил для обезвреживания сточных вод. 
Основная часть изложенного материала основана на оригинальных разработках авторов. Постоянную помощь в проведении 
экспериментов оказал С.Н. Поленчук, которому авторы выражают 
искреннюю благодарность. 
Авторы благодарны рецензентам профессорам Ю.М. Максимову и А.Ю. Крайнову, сделавшим ряд полезных критических замечаний. 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Использование водных бассейнов является одной из важнейших сторон человеческой деятельности. С этим связаны не только 
задачи достижения безопасности традиционного судоходства, но и 
практическое освоение морских глубин, обеспечивающее более 
широкий доступ к минеральным и биологическим ресурсам [1–7].  
Возникающая в этих условиях потребность в проведении подводно-технических, поисково-спасательных и судоподъёмных работ приводит к необходимости использования технических 
средств с автономным функционированием. Поэтому автономность энергообеспечения в подводных условиях приобретает исключительную актуальность. 
Из всевозможных источников энергии для указанных условий 
наиболее подходящими могут быть вещества, способные гореть 
без доступа воздуха с выделением газообразных продуктов горения. Как известно, к таким веществам относятся двухосновные 
твёрдые топлива, имеющие существенные преимущества по сравнению с другими источниками рабочего тела. Основными из этих 
преимуществ являются следующие: высокая энергоёмкость (в 
6…8 раз превышающая баллоны со сжатым газом), высокая стабильность (допускающая гарантийное хранение до 20…30 лет), 
наличие крупномасштабного производства и многолетний опыт 
применения в различных средствах вооружения и вспомогательных системах ракетно-космической техники [8, 9].  
Первые попытки использования твёрдых ракетных топлив для 
вытеснения балласта из полости глубоководного понтона были 
предприняты в 1961 году под руководством Г.И. Рывкина [10]. 
Позднее за рубежом были предложены газогенераторы типа ракетных двигателей для аварийной продувки цистерн главного балласта подводной лодки [11, 12], газогенерирующие системы с 
охлаждением продуктов горения для наддува мягких оболочек [13] 
и всплывающих буёв [14]. Из отечественной литературы известны 
предложения по отбору донных проб [15, 16], по подъёму подвод

ных объектов [17], по созданию поисково-спасательных средств и 
устройств для экстренного торможения судов [18].  
Начиная с 1970-х гг. систематические работы по использованию 
двухосновных твёрдых топлив в подводных условиях проводились в 
Научно-исследовательском институте прикладной математики и механики Томского государственного университета (НИИ ПММ ТГУ). 
Техническим решением проблемы было создание газогенераторов с 
частично локализованной зоной газообразования, представляющих 
забронированные по боковой поверхности и одному торцу шашки 
твёрдого топлива с открытой воспламенительной полостью, позволяющей обеспечить движение фронта горения снизу вверх. Основные 
результаты исследований были обобщены в [19]. 
В настоящей монографии представлены результаты, полученные 
при работе в этом направлении за последнее десятилетие. В этих 
исследованиях усилия авторов были направлены на решение проблемы обеспечения подводного сжигания небронированных шашек 
твёрдого топлива, допускающих управление темпом газообразования и многократное прерывание горения с последующим повторным зажиганием. Важнейшим достижением в решении указанной 
проблемы явились два изобретения, созданные соавторами настоящей монографии [20, 21]. В них предложен способ сжигания двухосновного твёрдого топлива с использованием подвижного локализатора зоны газообразования, позволяющего осуществлять конусноторцевое горение цилиндрических шашек при движении фронта 
экзотермических реакций сверху вниз. Теоретическое и экспериментальное обоснование работоспособности объектов изобретения 
позволило создать действующие лабораторные модели. 
При подготовке текста монографии наряду с развёрнутым термином «подвижный локализатор зоны газообразования» использовалась аббревиатура ПЛЗГ, а где это не приводит к неоднозначности понимания смысла, – его усечённая форма «локализатор». 
Аналогичный подход реализован в отношении терминов «двухосновное твёрдое топливо» и «открытый твёрдотопливный газогенератор», для которых использованы соответствующие синонимы: 
ДТТ, «топливо» и ОТГ, «газогенератор». 
 

1. СТАЦИОНАРНОЕ ГОРЕНИЕ  
ДВУХОСНОВНЫХ ТВЁРДЫХ ТОПЛИВ 
В ВОДНОЙ СРЕДЕ  
С ЧАСТИЧНОЙ ЛОКАЛИЗАЦИЕЙ  
ЗОНЫ ГАЗООБРАЗОВАНИЯ 
 
1.1. Открытые твёрдотопливные газогенераторы 
 
Твердотопливные газогенераторы (ТГГ) находят применение в 
системах наддува топливных баков жидкостных двигательных 
установок [22, 23], при обеспечении запуска ракетных систем из 
транспортно-пусковых контейнеров [24], при термогазохимическом воздействии на нефтяные пласты [25], при проведении аварийно-спасательных и подводно-технических операций [13, 76]. 
Такие газогенераторы содержат шашки способного гореть без доступа воздуха (унитарного) твёрдого топлива, которые заключены 
в прочную герметичную оболочку, выдерживающую внешнее гидростатическое давление. Особенностью их функционирования является переменность объема, занимаемого производимым рабочим 
телом, на границе которого происходят процессы тепломассообмена между продуктами сгорания и окружающей средой – 
жидкой или твердой.  
Перспективность использования унитарных твёрдых топлив 
типа двухосновных (ДТТ) обусловлена следующими свойствами 
[24]: их потенциальная энергия в 2…5 раз превышает энергию 
сжатого воздуха, а вес соответствующего газогенератора приблизительно в 7 раз меньше, чем его аналог на сжатом воздухе. Они 
допускают многолетнее хранение без регламентных проверок. 
Важно также наличие продолжительного опыта применения такого типа энергетических источников в различных отраслях техники. 
Однако, поскольку заряд и воспламенитель подобных источников рабочего тела находятся в герметичных металлических корпу