Горение порошкообразных металлов в газодисперсных средах

Д.А. Ягодников

2-е издание, исправленное и дополненное

Горение  
порошкообразных металлов  
в газодисперсных средах

УДК 536.46
ББК 24.6
 
Я30

Издано при финансовой поддержке программы Президента Российской 
Федерации «Государственная поддержка ведущих научных школ РФ»,  
грант НШ-9774.2016.8.

Рецензент:

д-р техн. наук проф. А.А. Шишков

Ягодников, Д. А.

Я30  
Горение порошкообразных металлов в газодисперсных средах / 

Д. А. Ягодников. — 2-е изд., испр. и доп. — Москва : Издательство 
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018. — 444, [4] с. : ил.

ISBN 978-5-7038-4807-4

Представлены современные методики экспериментальных измерений, при
ведены данные по основам построения математических моделей, описывающих состояния горящей газовзвеси при различных начальных характеристиках 
турбулентности, составах газовзвеси и режимных параметрах. Приведены примеры имитационного моделирования рабочего процесса в двигательных установках на металлизированном твердом горючем. Рассмотрены результаты экспериментальных исследований процессов воспламенения и горения газовзвесей 
частиц алюминия, магния, бора, а также методы интенсификации процессов 
воспламенения и горения частиц порошкообразного горючего. Представлены 
варианты использования нано- и ультрадисперсных частиц горючего в качестве 
компонентов топлива.

В издании использованы материалы научно-исследовательских работ, вы
полненных в НИИЭМ МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Книга предназначена для инженеров, работающих в области теории и прак
тики горения газодисперсных систем; может быть полезной для преподавателей, аспирантов, магистрантов и студентов старших курсов.

УДК 536.46
ББК 24.6

© Ягодников Д.А., 2009
© Ягодников Д.А., 2018, с изме 
нениями

© Оформление. Издательство  

ISBN 978-5-7038-4807-4 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018

Отечественной школе горения  
газодисперсных систем 
посвящается

Предисловие

В течение последних десятилетий постоянно расширяется область прак
тического использования порошкообразных металлов, с помощью которых 
представляется возможным повысить энергетические и улучшить эксплуатационные характеристики двигательных установок, а также разработать технологические процессы высокого уровня.

К настоящему времени порошкообразные металлы, например алюминий 

и магний, успешно применяются в качестве добавок к горючему в пиротехнических составах, гидрореагирующих и смесевых твердотопливных композициях, нашедших  применение  в ракетных двигателях твердого топлива 
(РДТТ), ракетно-прямоточных и гидрореактивных двигателях. Тем не менее 
существуют ограничения, не позволяющие в максимальной степени реализовать энергетический потенциал порошкообразных металлических горючих 
(ПМГ). Это связано прежде всего с большими значениями температур плавления и кипения металлов и их оксидов, защитными свойствами оксидных 
пленок на частицах ПМГ, особенно алюминия и бора, что ведет к увеличению характерного времени преобразования металлсодержащего топлива.

В связи с этим актуальной является задача повышения реакционной спо
собности ПМГ, решение которой позволит интенсифицировать процесс преобразования химической энергии топлива в кинетическую энергию истекающих 
продуктов сгорания. Для ПМГ на основе алюминия и бора лимитирующим 
фактором является оксидная пленка, покрывающая частицы и предохраняющая их от активного окисления. Именно начальные характеристики оксидных 
пленок Al2O3, B2O3 (тип и модификация кристаллической решетки, толщина, 
пористость и др.) и их эволюция в процессе нагрева определяющим образом 
влияют на характеристики рабочего процесса в целом. Поэтому устранение 
или ослабление защитных свойств оксидной пленки является ключом к достижению наибольшего значения полноты сгорания ПМГ в камерах сгорания 
минимальных габаритов.

С 70-х гг. XX в. открылись новые направления практического примене
ния ПМГ, в частности разработка принципиально новых классов двигательных установок, в которых ПМГ являются самостоятельными источниками 
энергии. В научно-исследовательских работах, проведенных в НИИЭМ МГТУ 
им. Н.Э. Баумана, ОКБ «Темп», Тольяттинском государственном университете, показана возможность создания принципиально нового класса установок, 

например прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД), использующих ПМГ. Обладая большой теплотой сгорания и высокой плотностью, 
ПМГ способны существенно увеличить такие важные характеристики двигателей и изделия в целом, как удельный импульс и коэффициент массового 
совершенства, а также обеспечить большую взрыво- и пожаробезопасность.

Оборонные отрасли промышленности участвовали и продолжают уча
ствовать в решении широкого круга проблем народного хозяйства. К концу 
ХХ в. предприятия военно-промышленного комплекса (ВПК) приобрели немалый практический опыт разработки технологий высокого уровня. Широкое 
внедрение последних достижений ВПК в гражданские отрасли производства 
является логически необходимым для решения макроэкономических задач, 
реинвестиции ресурсов ВПК на удовлетворение потребностей общества 
в целом, а также для поддержания достигнутых в нашей стране приоритетов. 
В последние годы сформировался экономически обоснованный интерес к эффективному использованию конструкторского и технологического опыта, на- 
копленного при разработке специальных двигательных установок в процессе 
создания технических устройств различного назначения. К ним относятся, 
в частности: средства пожаротушения мелкодисперсным аэрозолем и ингибирующими компонентами, генерируемыми при горении твердого топлива; 
устройства сверхзвуковой резки высоколегированных сталей, хромоникелевых сплавов и бетона; установки сверхзвукового напыления защитных и восстанавливающих покрытий; синтез ультрадисперсных оксидов металлов, например алюминия, цинка, железа, в процессе их газодисперсного горения. 
Вполне очевидно, что успех конверсионного применения ПМГ в определенной степени зависит от совокупности приобретенных знаний в области макрокинетических процессов воспламенения и горения частиц металлов, умения 
управлять этими процессами и разрабатывать практические рекомендации по 
организации высокоэффективных рабочих процессов в каждом конкретном 
техническом устройстве.

Новые виды двигательных и энергетических установок, работающих на 

ПМГ, характеризуются широким диапазоном изменения режимных параметров, например давления, соотношения компонентов, дисперсности ПМГ. Их 
влияние на основные характеристики рабочего процесса необходимо знать 
для максимальной реализации преимуществ металлсодержащих горючих. 
В связи с этим оправданными представляются исследования различных научных коллективов, направленные на создание базы данных и комплекса 
характеристик воспламенения и горения порошкообразных металлических 
горючих для проектирования и отработки энергосиловых установок и технологических процессов.

С момента опубликования (1949) результатов первых экспериментальных 

исследований особенностей процессов воспламенения и горения порошкообразного алюминия в кислородсодержащей среде прошло около семидесяти 
лет. За это время ученые СССР, России, Украины, США, Англии, Франции, 
Германии, Японии и других стран получили большое количество эмпирических и теоретических данных, отличающихся разнообразием исследованных 

Предисловие

металлов, окислительных сред, условий проведения экспериментов и подходов при составлении математических моделей изучаемых процессов. 
Возрастание активности исследований в области теории и практики горения 
газодисперсных систем произошло в конце 50-х и середине 60-х гг. XX в., 
что объясняется началом практического использования порошкообразных металлов в качестве добавок к твердым ракетным топливам и необходимостью 
решения возникающих при этом проблем, связанных, например, с обеспечением безопасности производства, транспортировки и хранения ПМГ.

Проведенные исследования касались изучения как фундаментальных 

особенностей, так и практических задач воспламенения и горения металлов, 
которые пришлось решать разработчикам и конструкторам ракетного двигателестроения. Естественная потребность в систематизации и обобщении 
громадного фактического материала привела ученых США и СССР к необходимости издания монографий, объединяющих результаты экспериментально-теоретических исследований. Эти монографии стали классическими трудами в области физики горения и взрыва. За прошедшие четыре десятилетия 
с момента выхода последней монографии появились новые идеи относительно практического использования металлов в двигателестроении и технологических производствах. Более актуальными становятся проблемы безопасного 
и экологически чистого производства ПМГ, а также эксплуатации промышленных устройств и энергетических установок, использующих металлсодержащее горючее (в той или иной форме) или реализующих отдельные стадии 
организации рабочего процесса. Поэтому сейчас, в первой четверти XXI в., 
необходимо систематизировать и составить аналитический обзор большого 
объема экспериментально-теоретических работ, посвященных воспламенению и горению газовзвесей частиц порошкообразных металлов в различных 
условиях.

При подготовке рукописи автор использовал накопленную в течение 

четверти века информацию по горению газодисперсных систем, опубликованную в различных научных изданиях, а также материалы своих статей, 
докладов и сообщений. Кроме того, дополнительно включены результаты 
экспериментально-теоретических исследований, ставших известными после 
выхода монографии1, являющейся основой данной книги.

Выражаю искреннюю признательность всем, кто содействовал и помо
гал в проведении расчетов и экспериментальных исследований, в обработке большого объема полученной информации, а также всем, кто участвовал 
в обсуждении результатов и оказывал дружескую поддержку.

Предисловие

1 Ягодников Д.А. Воспламенение и горение порошкообразных металлов. — М.: 

Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. — 432 с.

Перечень сокращений,  
условных обозначений, символов

АДНА 
— аммония динитрамид

ВВ 
— взрывчатое вещество

ВЗУ 
— воздухозаборное устройство

ВЭП 
— внешнее электрическое поле

ГГ 
— газогенератор

ГГП 
— газогенератор подогрева

ГРД 
— гидрореактивный двигатель

ГС 
— горючесвязующее

ГСВ 
— горючесвязующее вещество

ДПТ 
— двухкомпонентное порошкообразное топливо

ДУ 
— двигательная установка

ЖРД 
— жидкостный ракетный двигатель

ЗОТ 
— зона обратных токов

КД 
— камера дожигания

КПС 
— конденсированные продукты сгорания

КС 
— камера сгорания

НД 
— нанодисперсный

НДА 
— нанодисперсный порошок алюминия

НДБА 
— нанодисперсный диборид алюминия

НДЧ 
— нанодисперсные частицы

НП 
— нанопорошок

ПБА 
— полиборид алюминия

ПВРД 
— прямоточный воздушно-реактивный двигатель

ПГС 
— пневмогидравлическая система

ПМГ 
— порошкообразное металлическое горючее

ПММА 
— полиметилметакрилат

ПО 
— порошкообразный окислитель

ПП 
— перфорированная пластина

ПРВ 
— плотность распределения вероятности

ПС 
— продукты сгорания

ПХА 
— перхлорат аммония

ПЭ 
— полиэтилен

РДТТ 
— ракетный двигатель твердого топлива

РПД 
— ракетно-прямоточный двигатель

РУ 
— рабочий участок

СВС 
— самораспространяющийся высокотемпературный синтез

СГН 
— сверхзвуковое газопламенное напыление

СКО 
— среднеквадратическое отклонение

СРТТ 
— смесевое ракетное твердое топливо

ТПС 
— твердый пиротехнический состав

УДП 
— ультрадисперсный порошок

УПО 
— установка постоянного объема

ФК 
— форкамера

ФП 
— фронт пламени

ЭВП 
— электрический взрыв проволок

ЭКС 
— энергетическая конденсированная система

ЭСУ 
— энергосиловая установка

Cp 
— теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(кгК)

ek 
— скорость изменения толщины оксидной пленки, м/с

E 
— модуль упругости Юнга, МПа

E 
— энергия активации, Дж/кг

D 
— коэффициент диффузии, м2/с
D 
— диаметр, м

f 
— коэффициент живого сечения стабилизатора

fk 
— скорость изменения радиуса частицы, м/с

F 
— сила сопротивления, Н

G 
— скорость реагирования компонента, кг/(м2с)
∆H 
— теплота сгорания, Дж/кг

∆H0
f 298,15 — теплота образования при стандартных условиях, Дж/кг

I 
— плотность потока массы, кг/(м2с)
Iу.п 
— пустотный удельный импульс, м/с

Kу 
— коэффициент укладки

Km0 
— массовое стехиометрическое соотношение

K 
— предэкспоненциальный множитель

l 
— длина, м

m, n 
— относительная массовая концентрация

nk 
— счетная концентрация частиц, м−3

P 
— трехмерная плотность распределения вероятности

P 
— двумерная плотность распределения вероятности

p 
— давление, Па

Q 
— плотность теплового потока, Дж/(м2·с)
rk 
— радиус частицы, м

Rµ 
— универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль·К)

t 
— время, с

T 
— температура, К

Перечень сокращений, условных обозначений, символов

u, v 
— скорость газа, м/с

uн 
— нормальная скорость пламени, м/с

U 
— напряжение, В

wf 
— скорость распространения пламени, м/с

woc 
— скорость оседания, м/с

x 
— координата, м

gп 
— массовая доля покрытия

α 
— коэффициент избытка окислителя

β 
— температурный коэффициент объемного расширения, К−1

β 
— коэффициент корреляции

γ 
— коэффициент Пуассона

δk 
— толщина оксидной пленки, м

φк 
— полнота сгорания

φβ 
— коэффициент расходного комплекса

λ 
— коэффициент теплопроводности, Вт/(мК)

λ 
— длина волны излучения, нм

µ 
— молярная масса, кг/кмоль

η 
— коэффициент динамической вязкости, Пас

ν 
— мольный стехиометрический коэффициент

ρ 
— плотность, кг/м3
χτ 
— коэффициент относительного уменьшения периода индукции

χw 
— коэффициент относительного увеличения скорости пламени

σпр 
— предел прочности никелевого покрытия, МПа

σ 
— среднее квадратичное отклонение

σэ 
— эквивалентное напряжение, МПа

τи 
— период индукции воспламенения, с

Θk 
— безразмерная температура частиц

ωk 
— скорость изменения температуры частиц, К/с

Ωk 
— безразмерный радиус частиц

Ψk 
— безразмерная толщина оксидной пленки

Перечень сокращений, условных обозначений, символов

Глава 1

Теплофизические и макрокинетические 
свойства ПМГ

Можно с уверенностью утверждать, что успех практического приме
нения ПМГ был обусловлен системным подходом к экспериментально-теоретическим исследованиям, позволившим сформировать базу данных по 
макро кинетическим характеристикам воспламенения и горения одиночных 
частиц порошкообразных металлов и их совокупности. В создании базы 
данных принимали участие и внесли большой вклад ряд научных, учебных и производственных организаций нашей страны: Исследовательский 
центр им. М.В. Келдыша, Институт химической физики им. Н.Н. Семёнова 
РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт химической 
кинетики и горения СО РАН, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Институт проблем материаловедения 
АН Украины, Одесский государственный университет им. И.И. Мечникова, 
Томский государственный университет, Ленинградский механический институт, Ленинградский политехнический институт, Государственный научно-исследовательский 
институт 
химической 
технологии 
и 
элемен
тоорганических 
соединений, 
Научное 
производственное 
объединение 

«Энергомаш» им. акад. В.П. Глушко, Опытно-конструкторское бюро «Темп», 
Научно-исследовательский институт прикладной химии и др.

Основные результаты исследований, выполненных в течение 60–70-х гг. 

XX в., объектом которых были одиночные частицы металлов или металлизированные твердые топлива, нашли отражение в нескольких монографиях, 
среди которых наиболее авторитетными являются [1–4]. Содержащиеся в них 
данные относятся в основном к одиночным частицам или к металлизированным смесевым конденсированным системам. Знание процессов горения 
частиц является необходимым условием для организации эффективных рабочих процессов в натурных и модельных камерах сгорания энергосиловых 
и технологических установок, а также для понимания и объяснения возникающих закономерностей и корреляций.

Глава 1. Теплофизические и макрокинетические свойства ПМГ

1.1. Теплофизические свойства компонентов 
порошкообразных топлив

Компонентами порошкообразных топлив могут являться химические 

элементы и соединения, способные находиться в порошкообразном состоянии в течение длительного времени и выполнять функции горючего или 
окислителя, т. е. вступать в экзотермические реакции. Поскольку особенности процессов воспламенения и горения будут в значительной степени 
определяться их теплофизическими свойствами, рассмотрим последние более подробно.

1.1.1. Классификация дисперсных систем

Дисперсными системами называются системы, в которых дисперсная 

фаза равномерно распределена (диспергирована) в другой фазе — дисперсионной среде. В дисперсных системах размер частиц дисперсной фазы составляет 10−9–10−4  м, т. е. находится в интервале от нанометров до микрометров. Эта область превосходит размер малой молекулы, но меньше размера 
объекта, различимого невооруженным глазом. Дисперсные системы являются 
гетерогенными, состоящими из сплошной фазы (дисперсионной среды) и находящихся в этой среде отдельных частиц тех или иных размеров и форм 
(дисперсной фазы). Обязательным условием существования дисперсных систем является взаимная нерастворимость диспергированного вещества и дисперсионной среды.

Дисперсные системы классифицируют по агрегатному состоянию дис
персной фазы и дисперсионной среды, размеру и распределению частиц 
дисперсной фазы по размерам, виду дисперсной фазы. Классификация дисперсных систем по первому признаку — зависимость дисперсной фазы и дисперсионной среды от агрегатного состояния — приведена в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию

Дисперсионная 

среда

Дисперсные системы для дисперсных фаз

Твердые
Жидкие
Газовые

Жидкая
Золи, суспензии, 
гели, пасты

Эмульсии, кремы
Газовые эмульсии, 
пены

Твердая
Твердые золи, 
сплавы

Твердые эмульсии, 
пористые тела

Твердые тела

Газовая
Дым, газовзвесь
Туман, капли
—

Многообразие дисперсных систем обусловлено тем, что образующие 

их фазы могут находиться в любом из трех агрегатных состояний. При