Ученые ТПУ нашли способ предсказывать зажигание космического топлива

Ученые Томского политехнического университета совместно с коллегами из МИСиС разработали математическую модель, которая описывает процесс зажигания самовоспламеняющихся топлив. Она учитывает основные физико-химические характеристики такого топлива и их влияние на температурные и концентрационные поля в момент его зажигания в нестационарных условиях. Экспериментальные результаты показали, что модель с удовлетворительной точностью предсказывает поведение самовоспламеняющихся топлив. Об этом CNews сообщили представители ТПУ.

Исследование было поддержано грантом Российского научного фонда (№25-29-00637). Результаты работы ученых опубликованы в журнале FirePhysChem (Q1, IF: 5,1).

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 такого топлива.

Ученые Томского политеха совместно с коллегами предложили математическую модель, детально описывающую процесс зажигания самовоспламеняющегося топлива. Результаты численного моделирования 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, 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», — сказала один из авторов исследования, доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Ольга Высокоморная.

Модель политехников учитывает теплообмен между компонентами системы, фазовый переход, диффузию паров, химические реакции в конденсированной и газовой фазах. При этом технология ТПУ позволяет регистрировать температурные и концентрационные поля в реальном времени и устанавливать зависимости между ними.

Таким образом, математическая модель ученых помогает точнее прогнозировать поведение самовоспламеняющихся топливных систем в условиях, близких к условиям их реального использования.

«Нам 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», — сказала Ольга Высокоморная.

В будущем технология ТПУ может стать основой проектирования более безопасных и управляемых самовоспламеняющихся топливных систем.

Над исследованием работали ученые лаборатории тепломассопереноса Томского политехнического университета и МИСиС.