Российские ученые построили математическую модель зажигания космического топлива

Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) совместно с коллегами из НИТУ МИСИС разработали математическую модель, которая описывает процесс зажигания самовоспламеняющихся топлив. Она учитывает основные физико-химические характеристики и их влияние на температурные и концентрационные поля в момент зажигания в нестационарных условиях. Точность модели подтверждена экспериментальными данными.

Самовоспламеняющиеся топливные системы состоят из собственно топлива и окислителя, которые при контакте друг с другом начинают самопроизвольно реагировать — для этого им не нужен дополнительный нагрев или внешнее воздействие. Такие топливные системы могут использоваться в аэрокосмической технике, например, в системах аварийного старта.

Существует несколько моделей, описывающих механизм «срабатывания» самовоспламеняющихся топлив. Однако ни одна из них не может надежно предсказать параметры (температуру, скорость испарения и диффузии паров и другое), при которых будут достигнуты предельные условия для начала процесса горения.

Авторы создали математическую модель, детально описывающую процесс зажигания самовоспламеняющегося топлива. Модель учитывает теплообмен между компонентами системы, фазовый переход, диффузию паров, химические реакции в конденсированной и газовой фазах. При этом технология позволяет регистрировать температурные и концентрационные поля в реальном времени и устанавливать зависимости между ними.

Результаты численного моделирования были верифицированы с использованием экспериментальных данных по зажиганию топлива из тетраметилэтилендиамина (TMEDA), загущенного 5 мас. % диоксида кремния, и окислителя из высококонцентрированной азотной кислоты. Эксперименты проводились с каплями размером от 1 до 3 мм при начальной температуре компонентов от 10 до 30 °C. В ходе экспериментов ученые регистрировали время задержки зажигания и температуру в зоне горения.

«Нам удалось предложить целостный математический аппарат, который учитывает физико-химические процессы в момент зажигания в конденсированной и газовой фазах топлива. Анализ результатов расчета показал, что предложенная нами модель позволяет с удовлетворительной точностью предсказать процессы воспламенения топлива. Расчетные и экспериментальные значения времен задержки воспламенения не превышали 15 % при варьировании начальных размеров капель и 10 % при варьировании начальной температуры компонентов топливной системы. Повышение точности расчетов критически важно для практического применения самовоспламеняющихся топливных систем», — рассказала один из авторов исследования, доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Ольга Высокоморная.

Ученые отмечают, что предложенная ими модель помогает точнее прогнозировать поведение самовоспламеняющихся топливных систем в условиях, близких к условиям их реального использования.

Авторам также удалось установить несколько важных закономерностей: например, экспоненциальный рост скорости испарения при повышении начальных размеров взаимодействующих частиц, а также критическое значение начального размера (около 3 мм), при превышении которого времена задержки зажигания практически не изменяются.

По оценкам исследователей, в будущем предложенная технология может стать основой проектирования более безопасных и управляемых самовоспламеняющихся топливных систем.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации