Химическая физика окисления, горения и взрыва

Во всем мире активно ведутся научно-исследовательские работы по поиску топлив и топливных композиций для энергоэффективных систем реактивного движения и энергетических установок, работающих на детонационном горении. Большинство распространенных в технике и в быту полимерных материалов (ПВХ, ПВДХ, ТФЭ и др.) не являются взрывоопасными в обращении веществами. Однако в смесях или в контакте с некоторыми активными материалами, в частности, с алюминиевыми или магниевыми порошками или фольгами, они приобретают взрывчатые свойства и становятся высоко опасными в обращении взрывчатыми веществами. Разработка и создание перспективных энергоемких композиций для военной, авиационной и ракетно-космической техники требует дальнейших фундаментальных исследований механизма протекания физико-химических процессов при воспламенении, горении, взрыве и детонации энергоемких систем. Среди разнообразных энергетических материалов особый интерес в последнее время взывают наноразмерные и механоактивированные термитные составы. Нанотермиты имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными смесями окислитель-горючее за счет увеличения поверхности контакта между реагентами и уменьшению ограничений по тепло- и массопереносу. Это позволяет существенно повысить скорость энерговыделения. Скорость распространения горения в таких составах может достигать более 1000 м/с, при этом выделяемая тепловая энергия сравнима или превосходит теплоту взрыва обычных взрывчатых веществ, что открывает перспективы разработки новых инициирующих устройств, газогенераторов, микродвигателей и др. Для создания новой техники представляют интерес малогабаритные РДТТ с высокой тягой и малым(1-5мс) временем работы. Предлагается использовать для этих целей блочный заряд из прессованного (до пористости 5-10%) смесевого топлива из ПХА и органического горючего (ПММА) с добавками алюминия и гексогена. Заряд срабатывает в режиме низкоскоростной детонации( НСД). Для проведения внутрибаллистических расчетов переходных процессов необходимо знание параметров волны неодномерного режима горения энергетических материалов. В качестве автономного химического источника энергии с высокой теплотой сгорания перспективными представляются порошки металлов при их диффузионном горении в атмосфере воздуха. Исследование особенностей горения таких зарядов и способов их эффективного сжигания в условиях затрудненной диффузии окислителя является актуальной задачей. Создание нового высокоэффективного теплотехнического оборудования металлургии, машиностроения и др. отраслей промышленности в значительной степени определяется повышением топливной экономичности, совершенствованием процесса горения топлива и минимизацией эмиссии оксидов азота и окиси углерода. В настоящем проекте данная задача решается путем разработки нового поколения инфракрасных (ИК) радиационных горелок с рекуперационными элементами большой мощности. Развитие энергоэффективных и экологичных двигательных установок требует фундаментальных знаний о процессах пиролиза, воспламенения, горения, выгорания и детонации различных горючих смесей. В настоящее время уже очевидно, что на ближайшие десятилетия наиболее обильным, доступным и дешевым источником энергии и углеводородного сырья для мировой экономики и энергетики являются огромные ресурсы традиционного и нетрадиционного (сланцевый газ, газовые гидраты) природного газа, основным компонентом которого является метан. Перед современной газохимией стоит очень сложная задача создания нового поколения технологических процессов, позволяющих экономически эффективно превращать этот наиболее термодинамически стабильный и наименее реакционно способный углеводород в те разнообразные нефтехимические продукты и жидкие моторные топлива, без которых немыслимы современные экономика, энергетика и транспорт. Основу нового поколения газохимических процессов могут составить разрабатываемые в рамках данного государственного задания некаталитические процессы окислительной конверсии природного газа в синтез-газ, водород, аммиак, метанол, диметиловый эфир и другие базовые продукты нефтехимии. Развитие алюмоводородных технологий, которые основаны на получении водорода при окислении и сжигании алюминия в водных средах необходимо для разработки новых процессов преобразования энергии с минимальным углеродным следом и минимизацией нагрузки на окружающую среду от веществ, образующихся при деградации или при окончании срока службы использовавшихся материалов. Также не теряет своей актуальности исследование уже используемых технологий альтернативной энергетики. Металлический алюминий является исключительно удобным аккумулятором химической (тепловой) энергии. Он может использоваться как самостоятельный энергоноситель для генерации водорода. Оксид алюминия (Al2O3) является одним из наиболее термоокислительно стойких соединений на Земле. Благодаря инконгруэнтности, проявляемой оксидом алюминия при нагревании, он может существовать в жидком состоянии при экстремально высоких температурах (по нашим наблюдениям выше 4500оС). Данные о путях релаксации таких метастабильных состояний являются важными для современных технических приложений, экспериментальной геохимии, космохимии, астрофизики. Полученные в настоящее время данные позволяют говорить о возможности создания альтернативной экологически чистой безэлектролизной технологии производства металлического Al и О2 из Al2O3. Такая технология может быть запущена на Луне с использованием лунного грунта реголита, что позволит существенно снизить экологическую нагрузку на Землю, связанную с проведением ракетных пусков. Актуальность исследований условий формирования в криогенной неравновесной плазме и возможностей стабилизации в конденсированном гелии метастабильных частиц с высокой энтальпией образования обусловлена существенным ростом в последние годы интереса к использованию ресурсов планет Солнечной системы и их спутников для производства ракетных топлив из имеющихся на данных объектах веществ. Данная стратегия освоения космического пространства позволит существенно понизить требования к количеству топлива на борту космических аппаратов, необходимого для соверщения перелётов в пределах Солнечной системы.