Шидловский. Основы пиротехники. А. А. Шидловский основы пиротехники издание четвертое, переработанное и дополненное
 Скачать 2.26 Mb.
|
|
§ 4. ТЕПЛОВОЕ И ЛЮМИНЕСЦЕНТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Излучение твердых и жидких тел подчиняется законам излучения абсолютно черного тела (далее АЧТ, см. § 6 в гл. VI). При высоких температурах (500° Си выше) оно аначительно уве- * Это вычисление является приближенным, так как пламя не имеет правильной геометрической формы и размеры его вовремя горения изменяются. личивается — появляется заметное на глаз световое излучение, те. тела начинают светиться. Наличие в пламени осветительного состава накаленных твердых и жидких частичек, безусловно, необходимо, так как горячие пары и газы излучают малое количество световой энергии. В соответствии с законом Стефана — Больцмана энергия, излучаемая твердыми телами, быстро увеличивается с повышением их температуры. Таблица 11.4 Яркость и светоотдача АЧТ при различных температурах Температура, тысячи К Яркость, сб Световая отдача, лм/Вт ^Температура, тысячи К Яркость. тысячи сб Световая отдача, лм/Вт 1,6 2 0,2 2,8 1. 5 13,9 2,0 441 1,5 3.0 2. 9 19,2 2,2 130 3.2 3,5 9. 4 34,7 2,4 350 6,6 4,0 23. 4 50.3 2,6 779 9,4 5,0 84. 1 74 В табл. 11.4 показана зависимость яркости и светоотдачи абсолютно черного тела от температуры. 119 Спектральное распределение энергии излучения АЧТ (при 3000 К, излучения пламени типичного осветительного состава, а также кривая видности глаза показаны на рис. 11 .8. Рис. 11.8. График распределения энергии по спектру 1—АЧТ при 3000 К осветительный состав кривая видности человеческого глаза Осветительные составы, имеющие температуру пламени ниже 2000° С, вообще применять нецелесообразно, так как они дают при горении очень мало световой энергии. Горячие тела, спектральная кривая распределения энергии излучения которых аналогична кривой АЧТ, имеющего туже температуру, но только с меньшими ординатами, называют серыми излучателями. К числу таких излучателей относят углерод и некоторые черные оксиды. Суммарная излучательная способность графита при температуре 100—1500° С составляет 52% от излучения АЧТ, нагретого до той же температуры. Спектр излучения белых оксидов (MgO или А) является непрерывным излучательная способность белых оксидов как монохроматическая, таки суммарная несколько меньше, чем у АЧТ (см. табл. 11.5). Таблица 11.5 Излучательная способность оксидов при высоких температурах Излучательная способность оксидов вот излучательной способности АЧТ Формула Температура, Длина волны в мкм оксидов К 0,700 0,600 0,500 0,450 Аз 1600 25 40 81 90 Аз 1900 33 50 89 99 MgO 1500 23 35 65 -- MgO 1900 41 53 65 00 00 ThO2 2000 47 48 49 50 ВеО 1700 08 19 45 Оксиды магния и алюминия при высокой температуре особенно интенсивно излучают в области коротких волн, где их излучение становится почти равным излучению АЧТ. Кроме теплового излучения в лламени осветительных составов во многих случаях наблюдается и излучение люминесцентное. Причиной его следует считать изменение энергетических свойств (уменьшение запаса энергии) электронов в атомах и молекулах. Отсутствие или наличие люминесцентного излучения в пиротехнических пламенах может быть установлено в соответствии с критерием Вавилова — Видемана, согласно которому люминесценция четко отделяется от других процессов радиации. Вавилов рассматривает люминесценцию как избыток излучения над тепловым излучением тела в том случае, когда это избыточное излучение обладает конечной длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. Наличие в спектрах пламен осветительных составов отдельных линий и полос нельзя считать безусловным доказательством люминесцентного излучения, так как в данном случае линии и полосы могут быть обязаны своим происхождением и тепловому возбуждению атомов и молекул. Явления люминесценции в пламени осветительных составов еще недостаточно изучены, и влияние м.нотих пламенных добавок на световые показатели пламени остается еще часто невыясненным. § 5. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ОСВЕТИТЕЛНЫМ СОСТАВАМ; ДВОЙНЫЕ СМЕСИ При сгорании весовой единицы состава должно выделяться максимальное количество световой энергии, причем желательно, чтобы основная часть ее выделялась в спектральной области, к которой наиболее чувствителен человеческий глаз. Достаточное количество лучистой энергии получается только при сгорании пламенных составов, выделяющих не менее 1,5 ккал/г (6,3 кДж/г). Эта цифра служит критерием для проверки правильности подбора компонентов осветительного состава. Числовое значение светового кпд. определяется многими факторами излучательной способностью продуктов горения, спектральным составом излучения, размерами и оптическими свойствами пламени, скоростью горения составов и др. Для получения наибольших значений светового кпд. следует путем подбора рецепта состава и конструкции изделия стремиться к тому, чтобы образующееся при горении составов пламя имело максимальную температуру, содержало в себе достаточное количество твердых или жидких частичек, хорошо излучающих свет в накаленном состоянии, имело наибольшую поверхность излучения. Отметим, что количество световой энергии, излучаемой пламенем iB единицу времени, определяется средней яркостью пламени в нитах (стильбах) и поверхностью 'излучения в м (см. F лм=пB нит(cб) S м (ом) *. Все сказанное относится также и к мощности лучистого потока в спектральных пределах, более широких, чем область чувствительности человеческого глаза. Одним из важнейших факторов, определяющих силу света, является температура пламени. Температура пламени, в свою очередь, тем выше, чем больше калорийность состава. Продукты горения должны быть устойчивыми при высоких температурах, стем чтобы не затрачивалось большое количество тепла на их диссоциацию. * Это справедливо лишь в первом приближении, так как свечение пламени является не плоскостным, а объемным однако при достаточно больших размерах пламени и при большом коэффициенте поглощения собственного излучения пламена осветительных составов можно считать источниками поверхностного излучения, так как значительная часть излучения внутренних зон поглощается внешними слоями пламени. Основой каждого состава является двойная смесь горючее — окислитель. Суммарное количество других компонентов в осветительных составах редко превышает 10—15%; 121 поэтому качество состава в основном определяется выбором горючего и окислителя и установлением наивыгоднейшего соотношения между ними. Выбор горючего. При рассмотрении горючих принимается во внимание не только количество тепла, выделяющееся при их сгорании, но и другие свойства как самого горючего, таки продуктов его окисления. В качестве горючих для осветительных составов выбирают простые вещества (элементы), теплота образования 1 г оксида (Qa) которых составляет не менее 2,0 ккал (8,4 кДж. Из табл. 3.1 видно, что к числу таких горючих относятся следующие вещества металлы Be, Mg, Al, Ca, Ti, Zr и неметаллы НС, В, Si; P. При выборе горючего необходимо учитывать, что значительная часть продуктов их окисления должна плавиться при высокой температуре, не испаряться и не диссоциировать при температуре горения, чтобы в пламени находилось значительное количество твердых и жидких частиц. Следовательно, продукты окисления горючего должны быть высокоплавятцимися и труднолетучимн веществами. Водород, углерод и фосфор не удовлетворяют этому требованию и потому не могут быть применены в качестве основных горючих. Следует также заметить, что температура горения фосфора на воздухе не превышает 1500° С. Источники света, основанные на использовании горения органических веществ, 'имекп очень малую световую отдачу (не более 1 лм/Вт). Элементарный углерод при сгорании в кислороде дает световую отдачу всего 1,9 лм/Вт. На практике едва ли могут быть использованы в качестве горючих в осветительных составах бериллий и цирконий. По количеству энергии, выделяющейся при сгорании, представляет интерес только бериллий. Опыты по фотометрнрованию состава из 49% Zr и 51% Ва(МОз)2 показали, что удельная светосумма для него получается равной Lo=7400 ев-с/г, те. даже еще меньшей, чем это можно было бы предполагать. Бериллий в качестве горючего в осветительных составах тоже пока не дал положительных результатов. Наибольшее количество тепла получается при сгорании в осветительных составах магния или алюминия. Оксиды этих металлов обладают, кроме того, хорошей излучательной способностью. Все это вместе взятое является достаточным основанием для применения в осветительных составах главным образом алюминия или магния, а также их сплавов или смесей. Применение кальция или его сплавов ввиду их большой коррозионной способности не представляется возможным. Применение сплавов, содержащих значительное количество бора или кремния, ло всей вероятности, не даст возможности получить составы с хорошими световыми показателями. Световая отдача титана при сгорании его в кислороде получается несколько меньшей, чем .магния и алюминия, испытанных в тех же условиях. Количество тепла, выделяющееся при сгорании титана, также меньше, чем для магния или алюминия. Поэтому нет оснований ожидать хороших световых показателей от составов, изготовленных с применением титана или его сплавов. Выбор окислителя. Целесообразно выбирать окислитель, на разложение которого требуется минимальное количество тепла. Однако хотя хлораты совсем не требуют тепла на свое разложение, хлоратные составы обычно весьма чувствительны к механическим воздействиями потому на практике в осветительных изделиях не используются. В меньшей мере те же соображения относятся к окислителям — перхлоратам. Перхлорат 'бария — вещество чрезвычайно гигроскопичное — до сего времени в пиротехнике не используется. В зарубежной литературе имеются указания на возможность применения в осветительных составах перхлората натрия NaC104. Действительно, составы с этим окислителем могут иметь высокие световые показатели. Однако NaC104 весьма гигроскопичен (гигроскопическая точка при 20° 69—73%), и изготовлять составы сего использованием возможно только в атмосфере с пониженной влажностью. В литературе приводится рецепт осветительного состава для факелов NaC104—65%, Al—30%, смола. Наиболее часто в качестве окислителей для осветительных составов применяют нитраты. Стехиометрические смеси нитратов с магнием или алюминием выделяют при своем сгорании от 1,5 до 2,0 ккал (от 6,3 до 8,4 кДж) наг состава. Из нитратов в осветительных составах чаще других применяют нитрат бария (соль негигроскопичная) и нитрат натрия (соль гигроскопичная нитрат натрия имеет то преимущество, что при введении его в состав в пламени возникает интенсивное излучение в желтой части спектра. Смеси горючих с сульфатами дают при сгорании несколько меньшее количество тепла, чем смеси с нитратами тех же металлов (см. таол. 11.6). Применение перекисей металлов в обычных осветительных составах не представляется целесообразным. В качестве окислителей наиболее целесообразно применять соли металлов, имеющих малый атомный вес. Эти соли содержат большее количество кислорода, а изготовленные сих участием составы- содержат больший процент горючего и поэтому выделяют при сгорании большее количество тепла. Таблица 11.6 Термохимические характеристики двойных смесей Окислитель в смеси горения смеси Теплота горения смеси, ккал/г Ва (N03)2 BaSO4 32 23 Ва (N03)2+5Mg= =BaO+5MgO+N2 BaSO4+4Mg=BaS+ +4MgO 1,7 1,2 Примечание. ккал кДж. Применение калиевых солей нежелательно ввиду невысоких световых показателей таких составов (см. табл. 11.7). 123 Таблица 11.7 Световые показатели двойных смесей с различными окислителями (диаметр звездок 24 мм, оболочка картонная Компоненты: окислителя—60% металла —40% Плотность смеси, г/см3 Коэффициент уплотнения Скорость горения, мм/с Удельная светосумма, тыс. св.с/г Ва (NO3)2+Mg NaN03+Mg KN03+Mg NH4N03+Mg 1,94 1,71 1,69 1,72 0,80 0,85 0,87 0,99 8,0 11,0 8,7 1,8 13,0 15,2 10,6 5,6 Ва (NОз)2+А1 NaN03+Al KN03+Al NH4N03+A1 2,70 2,17 2,18 2,02 0,90 0,89 0,94 1,00 4,9 2,6 0,8 1,6 15,6 15,3 1,3 0,8 Введение в составы натриевых солей, наоборот, повышает световые показатели составов. Нитрат натрия является одним из лучших окислителей, обеспечивающих высокие светотехнические показатели составов. Значения удельной светосуммы составов, окислителями в которых являются нитраты бария и стронция, могут быть признаны удовлетворительными. Нитрат бария придает пламени слегка зеленоватый оттенок нитрат стронция сообщает пламени бледно-розовую окраску. Однако нитрат стронция редко применяется в осветительных составах, так как соль эта более гигроскопична, чем нитрат бария. В двойных смесях для осветительных составов часто дается некоторый избыток горючего против стехиометрии с таким расчетом, однако, чтобы горючее могло сгорать за счет кислорода воздуха. Так, например, содержание магния в двойных смесях может составлять иногда до 50—70% . Ноне всегда возможно употреблять двойные смеси с большим содержанием в них металлических порошков, так как скорость горения составов значительно возрастает с увеличением содержания в них металлического горючего. Световые характеристики двойных смесей нитрата натрия с магниевым дюрошком приведены в табл. 11.8 (смеси сжигались в картонных оболочках диаметрам 24 мм. 124 Таблица 11.8 Состав, % состава нитрат натрия магний Плотность, г/см3 Скорость горения. мм/с Удельная светосумма, тыс. св.с/г Светоотдача, лм/вт 1 70 30 1,9 4,7 9,8 22,6 2 60 40 1,7 11,0 15,2 25,0 3 50 50 1,7 14,3 20,0 23,0 Реакции горения смесей, характеристики которых помещены в табл. 11.8, могут быть приближенно представлены уравнениями 2: 1) 2NaN03+3Mg=Na20+N2+3MgO+O2; 2) 2NaN03+4,7Mg=Na20+N2+4,7MgO+ll,502; 3) 2NaN03+7Mg+02 (кислород воздуха) =Na2O+N2+7MgO. Средняя яркость пламени при горении состава 3 (табл. 11.8) равна нит f^GOO сб). Светоотдача составов, выраженная в лм/вт, такого же порядка, как для электрических ламп накаливания. В табл. 11.9 показана зависимость светотехнических показателей двойных смесей от содержания в них алюминия. Сжигались мм эвездки в картонных оболочках. Реакция горения состава 1 (см. табл. 11.9) может быть выражена уравнением 3Ba(N03)2+10Al=3BaO+3N2+5Al203, что соответствует по расчету выделению 1,6 ккал/г (6,7 кДж/г) состава. Световая отдача состава 1 равна 27 лм/Вт. Составы 2—5 содержат избыток горючего, который частично сгорает за счет кислорода воздуха, а частично образует нитрид Изучению свечения пламен смесей NaNO3—Mg посвящена работа [115]. 2 В составе имеющем положительный кислородный баланс, могут образоваться пероксид натрия и окислы азота. Таблица 11.9 Светотехнические характеристики двойных смесей нитрата бария с алюминиевой пудрой 125 № состава Содержание алюминия, % Плотность, г/см3 Скорость горения, мм/с Сила света, тыс. ев (кд) Удельная светосумма, тыс. св.с/r 1 26 2,7 3,0 51 13 8 2 36 2,7 5,0 86 14. 5 3 39 2,6 5,5 87 13 3 4 45 2,6 6,6 82 10 7 5 51 2,6 5,9 60 8 6 A1N. Как видно из табл. 11.9, скорость горения увеличивается с увеЛИчением содержания алюминия, но только до определенного предела (45%); лучшими световыми показателями обладают составы 2 и 3 с умеренной перегрузкой состава горючим 6. МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ ОСВЕТИТЕЛЬНЫЕ СОСТАВЫ Реальный рецепт состава создают исходя из заданной линейной скорости горения, стремясь при этом получить значение удельной светосуммы не менее 20—25 тыс св-с/г. К описанным выше двойным смесям окислитель — порошок металла с целью замедления горения состава, придания ему прочности в спрессованном виде и увеличения его химической стойкости добавляют различные органические вещества смолы, минеральные масла, олифу, парафин, стеарин и др. Многокомпонентные составы обычно имеют меньшую скорость горения, чем соответствующие двойные смеси, но вместе стем и меньшую силу света. Удельная светосумма составов с магниевым порошком снижается от введения органических веществ гораздо меньше, чем это наблюдается для составов, содержащих алюминиевую пудру или алюминиевый порошок. Составы с алюминием при употреблении грубоизмельченного алюминия или при введении в них большого количества органических связующих часто при горении сильно искрят. Явление искрения заключается в том, что частицы несгоревшего металла и раскаленные шлаки выбрасываются из пламени. При внимательном наблюдении через синие очки можно заметить, что раскаленные частицы металла имеют большую яркость и по окраске своей сильно отличаются от темно-красных частиц шлака. Выбрасывание из пламени несгоревших частиц металла называется форсовым искрением в отличие от другого вида —Тила-кового искрения. Понижение световых характеристик составов с алюминием при введении в них органических связующих, возможно, объясняется и тем, что при наличии форсового искрения не происходит полного сгорания металла, вследствие чего значительно понижается температура пламени. Кислородный баланс составов при введении в них значительного количества органических веществ обычно становится резко отрицательным. Следует полагать, что введение в осветительные составы органических связующих в 'количестве, превышающем 5—6%, в большинстве случаев нецелесообразно. Тем более что известны и другие способы замедления горения составов, а именно 1) изменение степени дисперсности металлических порошков 2) добавление в алюминиевые составы легкоплавкого вещества — серы. В составах, содержащих серу, алюминий при горении частично образует Al2S3. Но сульфид алюминия является только промежуточным продуктом реакции, так как во внешней зоне пламени происходит его окисление кислородом воздуха. Температура плавления составляет 1100° С. Реакция взаимодействия алюминия с серой 2А1+3S=А12S3+140ккал (586 кДж) легко протекает 'при высоких температурах. Составы, содержащие серу, при горении сравнительно мало искрят даже при использовании грубозернистого алюминия. Как показала практика, добавление серы в алюминиевые осветительные составы вполне целесообразно, но 'введение более 10% серы уже снижает их световые показатели. Для повышения световых показателей составов в них часто вводят небольшое количество так называемых пламенных добавок. Чаще других для этой цели употребляются негигроскопичные плохо растворимые вводе натриевые соли, например, фтористый натрий, криолита также фтористый барий и др. Повышение световых показателей состава при введении в него подобных добавок редко превосходит 15—20%. На скорость горения эти добавки большого влияния не оказывают. С целью уменьшения лыления составов, содержащих тонкоизмельченные компоненты (например, пудру, в некоторых случаях к ним добавляют жирующие вещества. В качестве таких технологических добавок применяют различные масла. Введение жирующих веществ способствует также увеличению стойкости составов при хранении. Для защиты металлических порошков от коррозии и замедления горения в составы вводят иногда и такие вещества, как стеариновую кислоту или сгеараты металлов. В табл. 11.10 приведены рецепты некоторых составов. Таблица II.10 Рецепты многокомпонентных осветительных составов в ч/о состава Окислитель Металлическое горючее Связующее Прочие компоненты Использовался в осветительных изделиях 1 Ba(NO3) 2 76 пудра порошок 8 Касторовое масло Сера 4 — 127 2 Ba(NO3) 2 61 пудра 22 — ВаF2 4, сера 13 — 3 Ва(NОз) 2 68 пудра порошок Шеллак 4 Патроны 4 Ва(NОз) 2 60 А Олифа 6 (сверх) Пороховая мякоть 5 Снаряды системы По- гребнякова 5 Ва(NОз) 2 76 пудра 8 Al- порошок 10 — Вазелин 2, сера САБ 6 Ba(NO3) 2 55 А — NazC20i сера 11 Патроны 7 Ba(NO3) 2 57,2 пудра 28,6 Декстрин 2,8 Сера 11,4 Малогабаритные САБ 8 Ва(NОз) 2 62,4 А — Сера 16,6 Морские боеприпасы (устаревший) 9 Ba(N03) 2 66 Mg30 Шеллак 4 — Английские артснаряды 10 Ba(NO3) 2 60 Mg 8, AlMg— 22 — Криолиг 7 Трикрезилфосф ат 3 Авиационные посадочные подкрыльные факелы 11 Ba(N03) 2 57 Mg 28,5 Al 6,5 — Парафин 8 Американский состав 12 Ba(NO3) 2 44 Mg 36; Al 4 Льняное или касторовое масло Nа2С204 Парафин 2,5 Тоже состава Окислитель Металлическое горючее Связующее Прочие компоненты Использовался в осветительных изделиях 13 NaN03 37 Mg58 Смола ламинак 5 Американский состав 14 NaNO3 48 Mg45 Связующее 7 — 15 NaNO3 56 Mg29 Монтанвоск 6 СаС204 9 Немецкий состав, 26 мм патроны 16 NaNO3 50 Mg30 Монтанвоск 1(5 Na2C204 10 Тоже Полиэфирная смола 8 Поливнни лхлорид 2 Американский состав 18 Ва(NОз)2 56 КNОз11 Al 19 — BaF2 сера 8 Немецкий состав, времен второй мировой войны Ba(NOs)2 55 Sг(NОз)2 5 Mg 17, Al 15 Льняное масло Асфальт 5 — Американский состав 20 ВаNO3)2 38 Mg52 Льняное масло 3 Тоже Sг(NОз)2 7 21 Ва(NO3)2 38,3 КNОз 25,2 Mg й Льняное или касторовое масло Парафин » 22 КС104 64,7 Mg 12,8 Канифоль 7,8 Na2C204 14,7 Английские осветительные гранаты 23 КС104 50 A136 — Сера 14 Американский состав 24 NaN03 28-:-40 Mg 42-62 Смесь эпоксидной и Патент США 3.411.963 полигликолевой смол 2—18 В качестве добавочного окислителя в осветительных составах наряду с нитратами металлов могут использоваться также различные ВВ (нитросоединения. Так, в норвежском патенте 99.194 (1961 г) указывается следующий рецепт (в %): нитраты щелочных металлов магний .... динитротолуол . 13—25 целлюлоза . . 4—8 Вовремя второй мировой войны в немецкой армии использовались гипсовые составы (в сплав Mg—Al......... ........ 41......... — CaSO4*O,5H2O........... . 32 магний ......................... — вода .............................. 1............ 7 NaNO3 ......................... 11........... 13 СаСОз ......................... 15............. — Гипс c входящей в него водой в этом случае использовался и как связующее, и как окислитель, частично заменяющий нитрат натрия. Осветительный состав, горящий под водой, состоит из следующих компонентов Mg— 16%, A1—12%, Ва(NОз)2—32% 129 В качестве связующего добавляется 8 частей льняного масла и 1 часть MnO2. Это экспериментальный состав времен второй мировой войны. Самоотвёрждающиеся составы В последнее время предложен ряд составов, не требующих при изготовлении 'изделий прессования под большими давлениями. Монолитность состава в изделии достигается, в результате его самоотверждения, протекающего при нормальной или при повышенной температурах. Такие составы возникли в связи с созданием самоотверждаю-щихся ракетных смесевых твердых топлив. Составы такого типа изготовляются путем тщательного смешения порошкообразных компонентов (окислитель, металлическое горючее) с жидким горючим-связующим, отвердителями и катализаторами отверждения. Полученной пластичной массой заполняется под небольшим давлением или по методу экструзии оболочка факела, и затем состав отверждается после выдерживания его при нормальной или повышенной температуре. В табл. 11.11 приведены рецепты нескольких таких составов по патентным источникам. В качестве связующих предложены жидкие смеси эпоксидных и полигли-колевых смол, силиконовые смолы сополимер эпоксидной смолы и полигликоля с концевыми аминогруппами, имеющий сшитую структуру, жидкие полиэфирные смолы, полиэфир стирольные смолы и др. Одно из преимуществ пластичных составов (наряду с упрощением технологии формования изделий) — это эластичность заряда и способность его лучше противостоять механическим усилиям (на разрыв, изгиб и скалывание) по сравнению с хрупкими прессованными составами. Таблица 11.11 Самоотвёрждающиеся составы на основе полимерных горючих-связующих (патенты США 3.369.964, 1968; 3.462.325, 1969; 2.984.558, 1961) Содержание компонентов, % № состава Магний Нитрат натрия Перхлорат натрий Горючее- связующее Катализатор отверждения Прочие вещества 1 54—62 28—38 Полисилоксан 3—15 0,3—1,5 2 40—48 — 40—44 Смесь метакрилата — 130 и полиэфирной смолы Смола А Нафтенат Пластифи Смола В кобальта —1 каторы и стабилизаторы. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ СОСТАВОВ И СРЕДСТВ Интенсивность света, спектральный состав излучения, продолжительность и равномерность горения факелов (или звездок) зависят от многочисленных факторов. Светотехнические показатели изделия определяются прежде всего рецептом состава, измельчением его компонентов, степенью уплотнения состава. Известное влияние оказывает также материял оболочки факела. Наряду с этим большое значение имеют и условия, при которых происходит горение состава начальная температура изделия, температура и давление окружающей среды, наличие и направление обдува при горении, положение пламени по отношению к горизонту (вниз или вверх, горизонтальное или наклонное положение. Изменение силы света двойных смесей магниевого порошка с различными окислителями при увеличении содержания магния показано на рис 11.9. Сила света увеличивается с увеличением содержания магния и достигает максимума при его содержании в составе около 70%. Скорость горения этих смесей также имеет максимум при 70—80% магния в составе (см. рис. 11.10). Это объясняется тем, что избыток магния по сравнению со стехиометрическим содержанием сгорает за счет кислорода воздуха. При оптимальном содержании магния (рис. 11.10) сила света изменяется в зависимости от применяемого окислителя от 1600 св/см2 для нитрaта калия до 124000 св/см2 для нитрата натрия. Эта разница обусловлена тем, что натрий является сильным излучателем в видимой области, тогда как калий в видимой части опектра излучает плохо. Размер и форма частиц порошков металлов, а также их удельная поверхность влияют на степень уплотнения состава и на скорость их горения. Как показано на рис. И и 11.12, с уменьшением размера сферических частиц порошка, а значит, с увеличением удельной поверхности (суммарной поверхности частиц одного грамма порошка) сила света и скорость горения увеличиваются. 131 Рис. 11.9. Изменение силы света двойных смесей магния с различными окислителями, запрессованных под давлением 730 кгс/см2 (72 МН/м2), при увеличении содержания магния Увеличение давления прессования приводит к увеличению плотности изделий до некоторого максимума, который обычно на 5—10% ниже расчетного теоретического значения. В табл. 11.12 приведены данные о влиянии давления прессования на светотехнические характеристики магниевого состава. Как видно из таблицы, линейная скорость горения уменьшается с увеличением давления, тогда как массовая скорость горения и сила света имеют тенденцию к увеличению. Такие явления замечены для всех магниевых составов. Для композиций на основе алюминия такой зависимости не установлено. Влияние диаметра факела на скорость горения и силу света пламени может в значительной степени изменяться в зависимости Таблица 11.12 Влияние удельного давления прессования на характеристики состава на основе (NaNO3+Mg) Удельное давление прессования, МН/м2 (кгс/см2) Сида света, тыс. ев (кд) Полная светосумма млн. св. с Скорость горения линейная, мм/с массо вая, г/с Удельная светосумма тыс. св. с/г Плотность, г/см« 14 (140) 278 7,2 2,60 6,54 42,6 1,54 48 (490) 262 7,1 2,35 6,75 38,7 1,74 103 (1050) 286 7,4 2,35 7,69 37,2 2,03 148 (1400) 291 7,6 2,38 7,55 38,6 1,95 от конструкции изделия и применяемого состава. Для многих горящих с одного торца осветительных факелов скорость горения 132 Рис. 11.10. Изменение скорости горения двойных смесей магния с различными окислителями, запрессованных под давлением 730 кгс/см2 (72 МН/м2), при изменении содержания магния мало зависит от диаметра. Это было отмечено многократно, правда, в ограниченном интервале изменения диаметров. Сила света, конечно, увеличивается с увеличением диаметра, нов различной степени для различных составов и изделий. Материал оболочки факела также влияет на скорость горения и светоотдачу факелов. Стальные оболочки, имеющие большую теплопроводность по сравнению с картонными или пластмассовыми, способствуют более быстрому прогреву прилегающих слоев состава, что может привести к увеличению скорости горения. Рис. 11.11. Зависимость линейной скорости горения состава + поливинилхлорид+смола) от размера частиц магния Рис. 11. 12. Зависимость силы света состава (Mg+NaN03+ 4- поливнилхлорид+смола) от размера частиц магния При понижении давления окружающей среды скорость горения уменьшается и сила света факелов падает. Размеры пламени увеличиваются, но яркость его сильно уменьшается. При некотором достаточно малом давлении среды горение уже невозможно и факел затухает. Все эти эффекты B большей степени проявляются при горении составов, содержащих большой избыток металла. В этом случае решающую роль играет уменьшение содержания кислорода в разреженном воздухе. Для стехиометрических составов имеет значение главным образом понижение давления внешней среды. 133 При понижении начальной температуры изделия скорость горения и сила света составов уменьшаются. В артиллерийских осветительных снарядах, которые не снабжены специальными устройствами для торможения вращения факела, горящий состав испытывает значительные центробежные ускорения, так как факел на воздухе некоторое время продолжает вращаться с большой угловой скоростью. Вращение приводит к значительному сокращению времени горения. В результате центрифугирования шлаки прижимаются в оболочке факела и не выносятся наружу. Это затрудняет отток газообразных продуктов и приводит к повышению давления внутри факела в результате состав начинает гореть быстрее. Чем с большей скоростью вращается факел, тем интенсивнее протекает образование шлаков и тем больше ускоряется горение. Все сказанное выше справедливо для факелов со стальной оболочкой, которая остается целой до конца горения. Если же оболочка сгорает одновременно с запрессовкой состава, то вращение может привести к сбрасыванию шлаков с поверхности горения состава и к его затуханию. Так как форма пламени факелов и эвездок существенно отличается от сферической, пространственное светораспределение для них крайне неравномерно. В плоскости, проходящей через ось факела, сила света имеет наибольшие значения в направлении под углом 45—90° коси пламени. В направлениях под углами О она уменьшается до какой-то минимальной величины, наблюдаемой по оси пламени. Еще меньше сила света в направлениях 90—180° коси пламени (см. рис. 11.13). В плоскости, перпендикулярной оси факела, кривая светораспределения представляет собой окружность вследствие симметричности объекта. Рис. 11.13. Кривая светораспределения пламени осветительной звездочки в плоскости, проходящей через ось изделия Отмеченная неравномерность оветораспределения учитывается в некоторых конструкциях осветительных изделий, в которых горящие факелы располагают горизонтально. При этом достигается наиболее высокая и равномерная освещенность местности. |