ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2015, том 34, № 7, с. 46-53
ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ ^^^^^^^^^^^^ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
УДК 536.46; 536.423.4; 544.452; 544.77.051.5
МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ГЕТЕРОГЕННОЙ КАПЕЛЬНОЙ ДЕТОНАЦИИ
© 2015 г. К. А. Авдеев1, В. С. Аксенов1, 2, В. С. Иванов1, С. Н. Медведев1, С. М. Фролов1, 2 *, Ф. С. Фролов1, И. О. Шамшин1, 2
Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва 2Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" * E-mail: smfrol@chph.ras.ru Поступила в редакцию 27.08.2014
Для получения электрической энергии на борту летательного аппарата с импульсно-детонацион-ным двигателем на жидком топливе предложено использовать магнитогидродинамический (МГД) генератор, установленный в выходной части сопла. Проведены экспериментальные исследования МГД-эффектов от импульсной гетерогенной (капельной) детонации н-гептано-кислородной смеси с добавлением в продукты детонации водного раствора карбоната калия (ионизирующей добавки). Показано, что на электродах МГД-канала наблюдается устойчивая генерация импульсов напряжения с амплитудой до 3 В, причем зарегистрированы три формы импульсов: одиночные импульсы, двойные импульсы и двойные импульсы с кратковременной сменой знака сигнала. Повышение частоты работы ИДД от 20 до 40 Гц практически не влияет на амплитуду и форму импульса напряжения. Снижение магнитной индукции от 0.6 до 0.3 Тл приводит к уменьшению амплитуды импульса напряжения на электродах МГД-канала, однако форма сигнала в единичном импульсе практически не изменяется. Обеднение горючей смеси жидким топливом приводит к снижению напряжения на электродах МГД-канала. Добавка в топливную смесь энергетического механоактивированного ме-таллосодержащего нанокомпозита Mg—MoO3 не приводит к существенным изменениям формы и амплитуды импульсов напряжения.
Ключевые слова: магнитогидродинамический эффект, гетерогенная детонация, жидкое горючее, им-пульсно-детонационный двигатель.
Б01: 10.7868/80207401X15070031
ВВЕДЕНИЕ
В современных силовых установках аэрокосмической техники широко используются реактивные двигатели, работающие по термодинамическому циклу Брайтона. В течение многих десятков лет они совершенствовались, и дальнейшее улучшение их характеристик требует больших капитальных вложений. Альтернативное решение, позволяющее существенно повысить термодинамическую эффективность современных реактивных двигателей, — использование камер сгорания с повышением полного давления. Повышение полного давления в камере сгорания можно обеспечить, например, путем изменения режима горения. По своей термодинамической эффективности наиболее привлекательный режим быстрого горения — это детонация. В детонационной волне достигается максимальная концентрация химической энергии, запасенной в горючем (энергия выделяется в тонком слое ударно-сжатой смеси),
а при расширении продуктов детонации совершается максимальная полезная работа [1, 2].
Известны две основные схемы организации детонационного горения: в периодических детонационных волнах, бегущих вдоль камеры сгорания (импульсно-детонационные двигатели (ИДД)) [3], и в детонационных волнах, непрерывно циркулирующих в тангенциальном направлении поперек камеры сгорания (двигатели с непрерывной детонацией [4]). Обе схемы считаются перспективными для воздушно-реактивных и ракетных двигателей.
Ввиду того, что в таких двигателях отсутствуют подвижные элементы, для получения электрической энергии на борту летательного аппарата, необходимой для работы систем зажигания, управления, навигации и других целей, предлагают использовать магнитогидродинамический (МГД) генератор, устанавливаемый в выходной части реактивного сопла. Ожидается, что при достижении достаточно высоких значений электропроводности и скорости продуктов детонации такое простое кон-
структивное решение может обеспечить летательный аппарат электропитанием при относительно небольшом увеличении массогабаритных характеристик.
По-видимому, первые экспериментальные исследования МГД-эффектов от газовой детонации проведены в работах [5, 6], где к импульсно-де-тонационной камере сгорания, работающей на газовой метанокислородной смеси с малыми добавками соли легко ионизируемого металла (водного раствора карбоната калия (К2С03)), был присоединен линейный МГД-генератор — прямой канал диаметром 16 мм с секционированными электродами и с поперечным магнитным полем с индукцией 0.23 Тл. Максимальная электропроводность плазмы, достигнутая в опытах [5, 6], составила 3.3 См/м (для сравнения укажем, что электропроводность морской воды составляет около 3 См/м). К сожалению, описание конструкции МГД-генератора, детали его работы и первичные экспериментальные данные в [5, 6] отсутствуют.
В работе [7] сообщается об экспериментальных исследованиях МГД-эффекта детонации газовой ацетиленокислородной смеси с малыми добавками спиртового (метанол) раствора гидроксида цезия в режиме одиночного импульса. В опытах, проведенных в указанной работе, применялась детонационная труба диаметром 25.4 мм и длиной 1 м с МГД-каналом прямоугольного сечения 25.4 х 20 мм длиной 0.3 м, выполненным из эпоксидной смолы с двумя сплошными электродами из медного сплава, отстоящими друг от друга на расстоянии 25.4 мм. Добавку впрыскивали в свежую смесь порционно с помощью автомобильной форсунки до прихода детонационной волны. Однородное поперечное магнитное поле с индукцией 0.6 Тл создавалось двумя наборными постоянными магнитами длиной 0.3 м. Максимальная электропроводность плазмы, достигнутая в опытах работы [7], составила 6 См/м при средней скорости детонации ~2380 м/с. В [7] представлены примеры записей межэлектродного напряжения и тока как в отсутствие, так и в присутствии внешней нагрузки.
Работы [8, 9] посвящены теоретическому исследованию МГД-эффектов импульсной газовой детонации. В [8] на основе решения двумерных уравнений МГД-течения стехиометрической водо-родно-воздушной смеси с добавкой цезия (1 об. %) в плоском прямом канале ИДД шириной 20 мм и длиной 100 мм с расширяющимся соплом при индукции магнитного поля от 1 до 8 Тл показано, что для достижения высоких характеристик МГД-генератора, достаточных для организации циклического прямого инициирования детонации, необходимо применять сопло с оптимальной степенью расширения, обеспечивающей наилуч-
шую комбинацию скорости и температуры продуктов детонации, использовать секционированные электроды и правильно выбирать их расположение и размеры. Максимальная электропроводность плазмы, полученная в расчетах [8], достигала 250 См/м. В работе [9] аналогичная задача решена для МГД-течения стехиометрической водородно-воздушной смеси с добавкой цезия (2 мас. %) в плоском прямом канале ИДД шириной 10 мм и длиной 100 мм без сопла или с суживающе-рас-ширяющимся соплом при индукции магнитного поля 4 Тл. Показано, что применение суживающе-расширяющегося сопла приводит к повышению характеристик МГД-генератора. Максимальная электропроводность плазмы, полученная в расчетах [9], достигала ~10 См/м.
Из анализа литературы следует, что все известные работы по рассматриваемой тематике связаны с исследованиями МГД-эффектов газовой детонации, тогда как наиболее приемлемым режимом горения в перспективных детонационных двигателях следует считать не газовую, а гетерогенную (капельную) детонацию штатного жидкого топлива. В нашей работе [10] впервые проведено экспериментальное исследование МГД-эффектов импульсной гетерогенной (капельной) детонации. В этой работе в качестве генератора детонационных импульсов использовали импульсно-детона-ционный жидкостный ракетный микродвигатель, предназначенный для систем стабилизации космических аппаратов [11, 12] и обеспечивающий калиброванные импульсы тяги с частотой до 150—200 Гц. К микро-ИДД присоединили линейный МГД-ге-нератор, состоящий из МГД-канала постоянного прямоугольного сечения 10 х 10 мм длиной 100 мм, выполненного из эпоксидной смолы с четырьмя парами стальных секционированных электродов. Для создания в МГД-канале однородного поперечного магнитного поля с индукцией ~0.42 Тл использовали постоянные самарий-кобальтовые магниты. Все эксперименты проводились при работе микро-ИДД на смеси жидкого н-гептана с газообразным кислородом, обедненной горючим (коэффициент избытка окислителя ~2), с частотой 20 Гц. Средняя скорость детонации в импульсе составляла ~2200 м/с. Опыты проводили как в отсутствие ионизирующей добавки (водный раствор карбоната калия), так и в ее присутствии. Во всех экспериментах на секционированных электродах МГД-канала наблюдали устойчивую генерацию электрического напряжения с амплитудой до 2.5 В и с частотой, задаваемой работой микро-ИДД. Добавление в топливную смесь водного раствора карбоната калия приводило к увеличению амплитуды импульса напряжения на электродах по сравнению с работой без добавки приблизительно в 2 раза.
Цель данной работы — проведение систематических экспериментов по изучению МГД-эффек-
Б
+ +
С + 5 С 5 й + 3 й 5
Я
а
2
1
и
б
Рис. 1. Принципиальная схема МГД-генератора (а) и экспериментальная установка (б): 1 — микро-ИДД, 2 — МГД-канал, 3 — форсунка, 4 — емкость, 5 — трубопровод; Б — скорость детонационной волны, и — скорость продуктов детонации, В — индукция магнитного поля, Я — резистивная нагрузка.
тов импульсной гетерогенной (капельной) детонации, зарегистрированных в [10].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
В качестве генератора детонационных импульсов использовали экспериментальный образец жидкостного ракетного микро-ИДД, конструкция и принцип работы которого представлены в работах [11, 12]. К микро-ИДД (позиция 1 на рис. 1) присоединили линейный МГД-генератор (позиция 2 на рис. 1), состоящий из МГД-канала постоянного прямоугольного сечения 8 х 40 мм длиной
110 мм с двумя парами стальных секционированных электродов (далее — электроды 1 и 2), присоединенных к резистивной нагрузке Я (рис. 1а). Для создания однородного поперечного магнитного поля с индукцией от 0.3 до 0.6 Тл использовали постоянные самарий-кобальтовые магниты. Индукцию магнитного поля измеряли с помощью тесламетра. Относительная ошибка
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.