В ракетных двигателях и твердом топливе всегда идет тонкая игра между мощностью и контролем: топливо должно гореть быстро, но предсказуемо, а любое изменение состава может дать неожиданный эффект. Именно такой неочевидный результат получили ученые из Томского государственного университета, когда решили добавить в классическую смесь на основе перхлората аммония и алюминия политетрафторэтилен — тот самый материал, из которого делают антипригарное покрытие для сковород и который чаще всего известен под торговой маркой тефлон.
С химической точки зрения идея выглядела многообещающей. Тефлон способен бурно реагировать с алюминием, выделяя огромное количество тепла — около 8855 кДж на килограмм, что обеспечивает температуру свыше 3000 °C. Вдобавок продукты этой реакции, в частности фторид алюминия, уносятся в газовую фазу и тем самым препятствуют образованию на поверхности алюминиевых частиц оксидной пленки, которая обычно мешает металлу полностью сгорать. Казалось бы, добавь тефлон — и получишь более энергичное, быстрое и полное горение. Однако на практике все оказалось сложнее.
Исследователи приготовили два состава твердого топлива. Первый, базовый, содержал окислитель, алюминий и связующее. Во втором примерно 10,7 % массы окислителя заменили тефлоном, сохранив близкий баланс между горючим и окислителем. Оба состава имели почти одинаковые плотность, теплоемкость и теплопроводность, что позволяло сравнивать их напрямую. После этого образцы подвергали двум принципиально разным способам нагрева: медленному кондуктивному, когда торец цилиндрического образца прижимали к горячей металлической пластине с температурой от 640 до 730 К, и быстрому лучистому, когда мощный световой поток от ксеноновой лампы с плотностью от 17 до 168 Вт/см² мгновенно разогревал поверхность.
При контакте с горячей плиткой тефлон вел себя как тормоз. Время задержки воспламенения у образцов с добавкой оказалось на 20–25 % больше, чем у исходного состава. Причина проста: тефлон — термостойкий полимер, и для его разложения требуется дополнительная энергия, которая на начальном этапе отвлекается от основного экзотермического процесса. Прежде чем алюминий начнет эффективно окисляться, система вынуждена сначала разрушить молекулы добавки, что увеличивает паузу перед появлением пламени.
Но при лучистом нагреве ситуация менялась кардинально. При относительно невысоких плотностях потока, до 37 Вт/см², образец с тефлоном зажигался даже чуть быстрее обычного. При дальнейшем увеличении интенсивности разница сокращалась, а при значениях выше 73 Вт/см² времена задержки обоих составов практически сравнивались. То есть, когда внешний источник энергии становится достаточно мощным, дополнительные затраты на разложение термостойкой добавки перекрываются огромным притоком тепла, и тефлон перестает замедлять воспламенение.
Пожалуй, самым неожиданным оказался результат измерений скорости горения под давлением. Для этого образцы помещали в герметичную бомбу постоянного давления, заполненную азотом, и измеряли время сгорания при давлениях от атмосферного до 6 МПа. Вопреки ожиданиям, тефлон практически не повлиял на скорость горения в исследованном диапазоне. Базовый состав и состав с добавкой дали близкие значения скорости при одинаковых давлениях. Правда, показатель степени в степенном законе горения, который описывает, насколько сильно скорость зависит от давления, оказался выше у образца с тефлоном — 0,52 против 0,47 у базового. Это говорит о том, что с ростом давления роль газовой фазы возрастает, и тепловой поток от пламени к поверхности становится настолько интенсивным, что потери на разложение тефлона просто перестают играть роль.
На основе полученных данных ученые рассчитали так называемые константы формальной кинетики — энергию активации и предэкспоненциальный множитель, которые описывают скорость химических реакций. При кондуктивном нагреве добавка тефлона слегка повысила энергию активации и увеличила предэкспоненту, что согласуется с более долгим временем задержки. А при лучистом нагреве, наоборот, энергия активации снизилась, и предэкспоненциальный множитель уменьшился почти на порядок — что также соответствует экспериментальной картине.
Практический вывод из этой работы важен для разработчиков твердого топлива. Тефлон не дает универсального выигрыша в скорости горения при высоких давлениях, хотя может быть полезен при инициировании в определенных режимах нагрева. Его влияние сильно зависит от того, как именно и с какой интенсивностью подводится тепло, и этот фактор необходимо учитывать при проектировании топливных композиций. Кроме того, работа демонстрирует, что даже хорошо изученные добавки вроде тефлона могут вести себя нелинейно и требовать тщательной экспериментальной проверки, а не простого экстраполирования из общих химических соображений. Это типичный случай, когда теория сталкивается с практикой, и практика дает более сложный и интересный ответ, чем ожидалось изначально.
Исследование опубликовано в журнале «Вестник Томского государственного университета. Математика и механика»
Изображение на обложке: разработано Magnific
