Источник: Шидловский А. А.: Основы пиротехники изд. второе (переработанное)/ Государственное издание оборонной прмышленности М. 1954. – 285 с.
Процесс горения пиротехнических составов чрезвычайно сложен. Изучению его до последнего времени уделялось сравнительно мало внимания. Наряду с этим в советской литературе за последние 10—15 лет опубликовано большое количество работ по вопросам механизма горения ВВ и порохов.
Конечно, процесс горения пиротехнических составов имеет целый ряд особенностей по сравнению с процессами горения ВВ или порохов, но многие закономерности в обоих случаях аналогичны, что было доказано целым рядом экспериментов.
Поэтому при дальнейшем изложении в некоторых случаях проводятся аналогии между закономерностями горения пиротехниче¬ских составов, с одной стороны, и закономерностями горения взрывчатых веществ и порохов, с другой.
Процесс сгорания пиротехнических составов можно разделить на три отдельные стадии: зажжение, воспламенение и горение.
Зажжение состава обычно осуществляется при помощи теплового импульса, который сообщается только ограниченному участку поверхности пиротехнического состава.
Воспламенением состава принято называть распространение горения по всей поверхности состава.
Собственно горением называют распространение процесса в глубину.
Скорость воспламенения пиротехнических составов во много раз больше, чем скорость их горения; подобное соотношение наблюдается и для порохов (как дымных, так и бездымных).
Для одного и того же состава скорость воспламенения зависит от следующих факторов:
1. От степени измельчения компонентов, — чем тоньше измельчены компоненты, тем больше общая поверхность состава и тем легче и быстрее идет воспламенение.
2. От плотности состава, — чем больше плотность состава, тем меньше становится его общая поверхность (уменьшается количество пор в составе) и тем труднее и медленнее происходит его воспламенение.
3. От начальной температуры состава, — чем она выше, тем легче и быстрее протекает процесс воспламенения.
4. От внешнего давления, — при повышении внешнего давления скорость воспламенения сильно увеличивается; объяснить это можно тем, что сжатые газы передают больше тепла в единицу времени воспламеняемой ими поверхности конденсированной системы, чем те же газы, находящиеся при атмосферном давлении.
Наибольшая скорость воспламенения наблюдается для слабо- уплотненных фотосмесей и для дымного пороха; скорость воспламенения дорожки из дымного пороха в открытом пространстве составляет 3,5 м/сек.
Следует заметить, что процессы воспламенения как пиротехни¬ческих составов, так и порохов и ВВ еще недостаточно изучены, и задачей ближайшего будущего должно явиться накопление фактического материала и создание на его основе полной теории воспламенения.
Процесс горения пиротехнических составов представляет собой совокупность многих экзо- и эндотермических химических процес¬сов и физического процесса теплопередачи.
Если, проводя грубое деление, расчленить процесс горения на две стадии, то следует указать, что он начинается в конденсиро¬ванной фазе и заканчивается в газовой фазе (в пламени). В кон¬денсированной фазе по крайней мере для случая горения пламен¬ных пиросоставов протекают, по нашему мнению, преимущественно эндотермические процессы, а в газовой фазе — экзотермические. Во многих, если не в большинстве случаев, процессы, протекающие в конденсированной фазе, могут осуществляться только за счет тепла, поступающего туда из газовой фазы (из пламени).
Это положение подтверждается наблюдением, что все исследованные до сего времени в этом отношении пиротехнические составы теряют способность к горению при низких давлениях.
Непременным условием для осуществления нормального равно¬мерного горения является равенство теплоприхода и теплоотвода во всех зонах реакции. При нарушении этого равенства горение или затухает или становится неравномерным,— возникает пульсация.
Но приведенная выше схема процесса горения пиросоставов с расчленением процесса только па две стадии является первым и притом весьма грубым приближением к действительности.
Проводя более детальный разбор механизма горения пирососта¬вов, следует заметить, что существенное различие между ВВ, с од¬ной стороны, и пиросоставами, с другой, заключается в том, что пиросоставы представляют собой гетерогенную систему.
Для осуществления быстрой реакции в гетерогенной системе прежде всего должна быть обеспечена возможность тесного молекулярного соприкосновения реагирующих между собой веществ. В твердом состоянии этой возможности не представляется; поэтому реакции между твердыми веществами протекают, как известно, очень медленно даже при очень высоких температурах.
Быстрое взаимодействие между двумя компонентами в пиротех¬ническом составе может начаться только тогда, когда хотя бы один из них будет находиться в жидком состоянии.
Если различать процессы по агрегатному состоянию реагирую¬щих веществ, то в конденсированной фазе возможно протекание двух видов процессов: жидк.+тверд.; жидк.+жидк..
Гетерогенность пиротехнической системы и далее накладывает отпечаток на характер протекающих процессов. Очень существен¬ным является то обстоятельство, что компоненты составов в большинстве случаев имеют резко отличающиеся друг от друга темпе¬ратуры плавления, а также температуры кипения или термического разложения. Имея в виду это обстоятельство, можно понять почему во многих случаях основные (экзотермические) реакции между компонентами (или между продуктами их разложения) протекают на поверхности раздела конденсированной и газовой фаз; в этом случае возможны варианты: газ+тверд.; газ+жидк.
Скорость протекания этих процессов в очень большой мере будет определяться скоростью физических процессов: газовой (и жидкостной) диффузии, а также возможностью быстрого удаления из сферы реакции продуктов горения.
Наконец, в зоне наиболее высокой температуры все реагирующие вещества будут находиться в газообразном (парообразном) состоянии и здесь реакция будет протекать в системе: газ+газ, т. е. в гомогенной газовой системе.
В этой последней стадии горения пиросоставов во многих случаях значительное участие принимает кислород воздуха. Следует заметить, что температура в пламени многих пиротехнических составов значительно выше, чем температура в пламени горящего при атмосферном давлении пороха или нитросоединения.
Все сказанное выше о механизме горения пиросоставов может быть наглядно иллюстрировано схемой, во многом сходной со схемой горения пороха, предложенной Я. Б. Зельдовичем (фиг. 9).
Повышение температуры в зоне реакции в конденсированной фазе может происходить как за счет тепла передающегося из газовой фазы или с поверхности раздела фаз, так иногда и за счет тепла реакции, протекающей в самой конденсированной фазе.
Решению вопроса, о том, какие процессы (в конденсированной или газовой фазе) доминируют при горении какого-либо конкретного пиросостава, в большой мере может способствовать выяснение того, в какой мере скорость горения зависит от давления окружающей среды. Чем больше будет зависеть скорость горения от давления, тем больше будет удельный вес реакций, протекающих в газовой фазе или на поверхности раздела газовой и конденсированной фаз.
В отдельных случаях выяснение механизма горения пиросоставов облегчается рассмотрением свойств входящих в состав компонентов.
Фиг. 9. Схема механизма горения пиротехнического состава.