Воспламенение и горение жидких топлив

Горение бензина, керосина и других жидких углеводородоз происходит в газовой фазе. Горение может происходить только тогда, когда .концентрация пара горючего в воздухе находится в известных пределах, индивидуальных для ..каждого вещества. Если пары горючего будут содержаться ,в воздухе в малом количестве, то горение не возникнет, так же как и в том случае, когда паров горючего будет слишком .много, а кислорода — недостаточно.

Температура самовоспламенения — это та температура, до которой нужно нагреть вещество, чтобы оно загорелось. Большинство горючих жидкостей имеет температуру самовоспламенения в пределах от 250 до 650°. Исключение составляют сероуглерод (112° С), диэтиловый эфир (180°С).

Авиационные топлива США марок JP-1 и JP-3 имеют температуру самовоспламенения 204—260° С при задержке воспламенения от 100 до 200 с. Авиационные бензины имеют температуру самовоспламенения от 430 до 510° С при задержке воспламенения от 2,0 до 2,5 с.

Температурой вспышки называют ту наименьшую температуру жидкости, при которой пары ее образуют с воздухом смесь, способную воспламеняться при поднесении к ней стандартного пламени. При этом сгорает только смесь паров жидкости с воздухом, а горения жидкости не возникает. Объясняется это малой скоростью испарения жидкости. Сгорание смеси паров происходит так быстро, что за это время не успевает испариться новая порция жидкости, необходимая для горения. Жидкости, имеющие температуру вспышки ниже 45° (бензин, ацетон, бензол, метиловый спирт, скипидар и др.), называются легковоспламеняющимися. Такие жидкости, как 1мазут, соляровое масло, глицерин, температура вспышки которых выше 45° С, называют горючими.

Если нагреть жидкость выше температуры вспышки, то скорость испарения ее увеличится.

Температурой воспламенения называют ту наименьшую температуру жидкости, при которой она воспламеняется при поднесении к ней стандартного пламени и продолжает гореть. Для легковоспламеняющихся жидкостей температура воспламенения выше температуры вспышки всего на 1—5°, а для горючих жидкостей с температурой вспышки выше 100° С эта разница достигает 30° и более.

При установившемся горении жидкости происходит взаимная диффузия ее паров и воздуха в зону горения. Пары жидкости непрерывно поступают в зону горения только в том случае, когда жидкость непрерывно получает тепло, необходимое для испарения. Это тепло поступает к поверхности жидкости из пламени. Таким образом, источник воспламенения нужен только для возникновения горения, а дальше горение само себя поддерживает.

В нашем случае источником воспламенения являются накаленные продукты горения зажигательного состава, образующиеся при срабатывании снаряда в топливном баке. Сила взрыва зажигательного снаряда, как правило, недостаточна для того, чтобы разрушить полностью топливный бак самолета. Но взрываясь в баке с горючим, снаряд обеспечивает создание отверстия, через которое выливается некоторое количество горючего; горючее, вступая в контакт с продуктами горения зажигательного состава и с воздухом, воспламеняется. Через пробоину внутрь бака поступает воздух, необходимый для поддержания начавшегося горения.

Горение топлива может быть безотказно вызвано при попадании зажигательного снаряда внутрь протектированного самолетного топливного бака над уровнем жидкости, если в свободном объеме бака находится смесь паров горючего с воздухом; последний может проникать туда через пробоины или просачиваться через неплотности. Горение редко возникает внутри бака при попадании снаряда ниже уровня жидкости. Было потрачено много усилий на создание зажигательных снарядов и пуль, способных воспламенять горючее с первого попадания ниже уровня жидкости. Этого удалось достичь, когда были разработаны зажигательные снаряды с большей продолжительностью вспышки и с продолжительным горением частичек состава, образующихся при взрыве. Эти длительно горящие частички воспламеняют струйки и брызги горючего, выбрасываемые наружу через входное отверстие волной давления, создаваемой снарядом в жидкости. При взрыве снаряда часть топлива будет диспергироваться, образуя взвесь капелек горючего в воздухе, что также благоприятствует воспламенению. Вблизи источника воспламенения часть капель горючего испаряется, эти пары воспламеняются и создают первоначальный фронт пламени.

Многочисленные испытания показали, что воспламеняемость горючих жидкостей определяется в основном их относительной летучестью и вязкостью. Поэтому керосин, имеющий относительно низкую летучесть и большую вязкость, значительно труднее воспламеняется, чем бензин. По той же причине пламя вдоль бензиновой струи распространяется быстро от начала до конца ее и несгоревшего топлива остается мало. При поджигании керосиновых струй пламя редко распространяется дальше чем на несколько сантиметров от точки поджигания, поэтому большая часть топлива, выброшенного струёй, остается несгоревшей.

Эффективность зажигательных снарядов в большой степени зависит также от давления окружающей атмосферы, так как оно, при прочих равных условиях, определяет интенсивность притока кислорода к очагу загорания и, следовательно, возможность самораспространения возникшего пожара. По данным зарубежной печати [119], минимальная энергия, необходимая для воспламенения топливо-воздушных смесей, резко возрастает с уменьшением давления (обратно пропорционально давлению в степени -~1,8). Поэтому на очень больших высотах пожары не возникают.

Малокалиберные снаряды и пули [151]. В зависимости от назначения различают осколочно-зажигательные и осколочно-зажигательно-трассирующие снаряды (рис. 15.1 и 15.2); бронебойно-зажигательные (БЗ) и бронебойно-зажигатель-но-трассирующие (БЗТ) снаряды (рис. 15.3—15.6). Точно также и пули бывают (рис. 15.7) пристрелочно-зажигательные, БЗ и БЗТ.

В осколочных снарядах в донной части каморы помещается шашка зажигательного состава, а в головной — шашка взрывчатого вещества. При встрече снаряда с щелью срабатывает чувствительный головной взрыватель, происходит взрыв шашки ВВ. Взрыв этот дробит шашку зажигательного состава и тем самым обеспечивает быстрое его сгорание. Продукты сгорания, имеющие очень высокую температуру, остывая, отдают тепло горючей жидкости и вызывают ее воспламенение.

Иногда в снаряды запрессовывают смесь ВВ с алюминиевой пудрой; эта смесь, являясь разрывным зарядом, одновременно действует и как зажигательное вещество. Предложены также осколочно-зажигательные снаряды, корпуса которых для усиления зажигательного действия снаряда изготовляют из сплава титан— цирконий, сгорающего при взрыве. Описаны также снаряды с центральным расположением шашки ВВ (по оси) и зажигательной шашкой на периферии, снаряды с готовыми поражающими элементами в виде .мелких свинцовых шариков ('патенты США 3.498.857, 1970; 3.396.060, 1968; 3.370.5Э6, 1968; 3.421.439, 1969 ит. д.

В БЗ и БЗТ снарядах зажигательный состав помещается л ибо внутри прочного корпуса (рис. 15.5 и 15.6), либо внутри баллистического наконечника (рис. 15.3), либо одновременно и в том и в другом (рис. 15.4). Большинство современных конструкций БЗ и БЗТ снарядов не имеет специальных взрывателей и шашек ВВ: пиротехнический состав 'воспламеняется при ударе снаряда о броню. Наличие трассера и шашки зажигательного состава внутри корпуса обуславливает зажигательный эффект снаряда после его проникновения за броню.

Зажигательные пули разных типов, представленные на рис. 15.7, аналогичны описанным выше малокалиберным снарядам по конструкции и принципу действия.

Количество энергии, передаваемой топливу при взрыве зажигательного снаряда, зависит от характера горения состава (температура горения, состав продуктов сгорания), а также и от степени восприятия энергии топливом. Температура, развиваемая при взрыве зажигательного снаряда, равна 2500—3000° С и даже выше.От пламени взрыва к топливу тепло передается в основном лучеиспусканием. Наличие в продуктах горения зажигательных составов горячих твердых частиц играет положительную роль в процессе воспламенения жидких теплив.

Хотя количество энергии, передаваемое топливу, можно оценить, пользуясь законами излучения, однако ввиду большой сложности процессов, протекающих при взрыве зажигательных снарядов в емкостях с горючими жидкостями, при отработке и выборе составов предпочтение отдают экспериментальным методам оценки эффективности, основанным на проведении многочисленных натурных или модельных испытаний в условиях, максимально приближающихся к реальным.

Рис. 15.1. Осколочно-зажигательный снаряд:

I—корпус; 2—зажигательная шашка; 3—прокладка; 4—шашка взрывчатого вещества; 5—прокладка; 6—взрыватель

Рис. 15.2. Осколочно-зажигательно - трассирующий снаряд (патент ФРГ 1.278.290, 1968 г.):

I— корпус: 2— трассер;3—зажигательная шашка; 4—кумулятивная шашка ВВ; 5—взрыватель

Рис. 15.З. Американский 20-мм бронебойно-зажигатель-ный снаряд:

/—бронебойный сердечник; 2—ведущий поясок; 3— основной зажигательный состав; 4—воспламенительный состав; 5—алюминиевый баллистический наконечник; 6— наковальня из алюминиевого сплава; 7—стальной корпус

Рис. 15.4. Бронебой-но-зажигательный снаряд:

1—дно; 2—зажигательная шашка; 3—корпус;4— баллистический наконечник; 5—зажигательная шашка

Рис. 15.5. Бронебой-но-зажигательно-трассирующий снаряд:

1— корпус; 2—зажигательная шашка; 3— шашка взрывчатого вещества; 4—взрыватель: 5—трас-серная гайка; 6—трассер; 7—баллистическим наконечник

Рис. 15.6. Бронебой-но-зажигательно-трассирующий снаряд'

/—корпус; 2—зажигательная шашка; 3—баллистический наконечник:4—трассер

Рис. 15.7. Зажигательные пули:

а—пристрелочно-зажигательная; б—броне-бойно-зажигательная; в—бронебойно-за-жигательно-трассирующая; /—юболочка — плакированная томпаком сталь; 2—зажигательный состав; 3—стальной сердечник:4—свинцовая рубашка; 5—латунный кружок; б—стаканчик латунный; 7—стальной ударник с жалом; в—латунный предохранитель (разрезное кольцо); 9—капсюль;10—железная прокладка; //—'трассирующий состав; 12—колечко; 13—отверстие

Зажигательные составы. В табл. 15.1приведены рецепты наиболее типичных составов для малокалиберных снарядов и пуль.

За последние годы в разных странах разработано и испытано в малокалиберных снарядах много составов на основе окислителей-солей. Составы этого типа теперь полностью вытеснили белый 'фосфор и трассирующие составы, которые использовались 'раньше в этих зажигательных средствах.

Основой большинства зажигательных составов является порошок сплава А1—Mg (50/50), который оказался наилучшим из большого числа испытанных порошков различных металлов и сплавов.

В качестве окислителя лучшим по эффективности составов и по технологическим свойствам оказался нитрат бария. Эффективность составов на его основе повышается при добавлении кяим небольшого количества перхлората жалия. Последний, имея одинаковое с нитратом бария содержание активного кислорода, отличается более низкой температурой разложения. Перхлорат аммония также использовался в составах, но, будучи довольно чувствительным к механическим воздействиям, представляет большую опасность в производстве. Перхлораты других металлов (натрия, лития), хотя и испытывались, но широкого применения не получили из-за большой гигроскопичности и технологических трудностей при снаряжении изделий.

Двойные смеси из металлического горючего и окислителя в производстве легко расслаиваются, плохо прессуются и плохо текут в автоматических аппаратах. Поэтому к ним стали добавлять связующие (чаще всего резинат кальция, асфальтит) и графит, а для предотвращения комкования и улучшения сыпучести— стеараты кальция, цинка, алюминия.