بخشی از مقاله
چکیده:
کارایی پیشرانهها هنگام استفاده از نانو ذرات آلومینیوم افزایش مییابد زیرا مساحت و حرارت منتقل شده افزایش مییابد که منجر به کاهش زمان تأخیر احتراق و همچنین بهبود خواص مکانیکی و بهبود دانسیته ایمپالس ویژه میگردد. بنابراین فرمولاسیونهای برپایه میکرو ذرات عیوب گستردهای همچون سرعت پایین آزادسازی انرژی، احتراق ناقص و ناتوانی در احتراق سریع دارند که با استفاده از نانو ذرات میتوان بر آنها غلبه کرد.
نانو ذرات آلومینیوم به عنوان شتاب دهنده اضافی و برای راکتهای فشار بالا به عنوان پیشرانشی مانند آتشزنه و بوستر نیز استفاده میشوند. استفاده از نانو ذرات آلومینیوم باعث تغییر در خواص احتراقی پیشرانهها میشود. مکانیسم احتراق نانو ذرات آلومینیوم در پیشرانه مشابه ذرات آلومینیوم با اندازه معمولی است با این تفاوت که به علت کوچکتر شدن اندازه ذرات آلومینیوم، در نانو ذرات آلومینیوم نسبت سطح به حجم در مقایسه با میکرو ذرات آلومینیوم افزایش مییابد.
افزایش سرعت سوزش هنگام استفاده از نانو ذرات آلومینیوم وابسته به اندازه ذرات آلومینیوم است. با کاهش اندازه ذرات آلومینیوم سرعت سوزش به میزان چشمگیری افزایش مییابد. رفتار سوزشی پیشرانههای جامد حاوی آلومینیوم با اندازه ذرات میکرو متفاوت از نانو ذرات آلومینیوم در مقیاس نانو است.
-1 مقدمه
اولین مطالعات دوخان و همکارانش در رابطه با استفاده از نانو ذرات آلومینیوم در پیشرانههای جامد به سال 2001 مربوط میشود. آنها از فرمولاسیونهایی با اندازه ذرات متفاوت آلومینیوم با ترکیب درصدهای متفاوت برای مطالعات خود استفاده کردند. مطالعات آنها نشان داد که استفاده از اندازه ذرات کوچکتر سبب بهبود در سرعت سوزش میشود. بیشترین تاثیر در بین اندازه ذرات آلومینیوم مربوط به آلومینیوم P 3 و 100 nm بود که آلومینوم با اندازه 100 nm بهترین بهبود را در سرعت سوزش داشت. بررسی دیگر مربوط به مخلوط آلومینیوم با اندازه-های متفاوت بود.
نتایج حاصل نشان از آن داشت که استفاده از ذرات کوچکتر آلومینیوم در بین ذرات بزرگتر آلومینیوم خواص سوزشی بهتری را سبب میشود. آنها در بررسیهای انجام داده به این نتیجه رسیدند که بیشترین نسبت افزایش سرعت سوزش در ابتدای احتراق با جایگزینی %20 جرمی از آلومینیوم 30 P با آلومینیوم 100 nm ایجاد میشود. پس از آن افزایش نانو ذرات آلومینیوم سرعت سوزش با شیب کمتری افزایش مییابد.
وی همچنین در سال 2009 از نانو ذرات با اندازه 50- 80 nm که از روش انفجار الکتریکی سیم آلومینیومی تهیه شده بود، در فرمولاسیون پیشرانه مرکب بر پایه HTPB و با دو عامل پخت IPDI و TDI استفاده کرد. مطالعات وی نشان استفاده از نانو ذرات آلومینیوم در فرمولاسیون پیشرانه مرکب باعث افزایش در سرعت سوزش میشود. البته این افزایش سرعت سوزش در فشارهای بالاتر بیشتر از فشارهای پایین است.
نتایج دیگر وی نشان داد که استفاده از نانو ذرات با اندازه ذرات متوسط 50 nm سرعت سوزش کمتری را در فشار ثابت نسبت به نانو ذرات آلومینیوم استفاده شده در فرمولاسیون با اندازه ذرات متوسط 70 nm میشود. مطالعات او نشان داد تغییر در محتوای نانو ذرات آلومینیوم نیز در سرعت سوزش موثر است. با افزایش درصد نانو ذرات، سرعت سوزش افزایش مییابد بطوری که با جایگزینی %80 جرمی میکرو آلومینیوم با نانو آلومینیوم باعث بهبود 5 درصدی در سرعت سوزش در فشار 1 MPa میشود که در فشار 10 MPa این بهبود در حدود 60 درصدی میشود.
جایگزینی کامل میکرو ذرات با نانو ذرات در فشار 1 MPa باعث افزایش 50 درصدی در سرعت سوزش میشود. همچنین مشخص گردید که استفاده از TDI به عنوان عامل پخت باعث بیشتر شدن سرعت سوزش در مقایسه با IPDI میشود.
سان و همکارانشان در سال 2006 از نانو ذرات آلومینیوم در ساختار پیشرانه مرکب با تغییر درصد جرمی نانو ذرات به کار رفته استفاده کردند و مشاهد کردند که سرعت سوزش به صورت خطی در نمودار لگاریتم سرعت بر حسب لگاریتم فشار افزایش مییابد که این افزایش در سرعت سوزش با افزایش محتوای نانو ذرات آلومینیوم در ارتباط میباشد. مطالعات آنها نشان میدهد که ذرات نانو آلومینیوم فقط سبب افزایش در سرعت نمیشود بلکه نمای فشار را نیز کم میکند
سان نشان داد که افزایش سرعت سوزش هنگام استفاده از ذرات نانو آلومینیوم در پپیشرانههای جامدا مرکب وابسته به درصد جرمی استفاده شده است. همچنین او نشان داد که افزایش محتوای نانو ذرات آلومینیوم در فشارهای پایین سبب بهبود بهتری در سرعت سوزش نسبت به فشارهای بالا میشود. او علت امر این امر را ناشی از پدیده پراکندگی ذرات در فشارهای مختلف میداند. در فشارهای پایین پدیده پراکندگی سریعا رخ میدهد و سرعت سوزش با سرعت واکنش شیمیایی کنترل میشود. در سالهای اخیر استفاده از نانو ذرات در فرمولاسیون پیشرانههای جامد مورد مطالعه و بررسی قرار گرفتهاند. نانو ذرات مطالعه شده در چند دسته قرارگرفته میشوند. نانو اکسیدکنندهها و نانو سوختهای فلزی که در ادامه به بررسی آنه پرداخته میشود6]،.[5-3
-2 مکانیسم احتراق نانو ذرات آلومینیوم
مکانیسم احتراق نانوذرات آلومینیوم در پیشرانه مشابه ذرات آلومینیوم با اندازه معمولی است با این تفاوت که به علت کوچکتر شدن اندازه ذرات آلومینیوم، در نانو ذرات آلومینیوم نسبت سطح به حجم در مقایسه با میکرو ذرات آلومینیوم افزایش مییابد
همچنین مکانهای فعال جهت انجام واکنش احتراقی در سطح ذرات آلومینیوم افزایش مییابد که این سطوح فعال مولکولهای گازی فعال ناشی از تجزیه AP را بهتر جذب میکنند و شکستن لایه اکسیدی و در معرض قرارگیری آلومینیوم به طور موثرتری صورت میگیرد و با افزایش مکانهای احتراق ذرات آلومینیوم در مقایسه با ذرات آلومینیوم با اندازه میکرو، میزان گرمای احتراق آزاد شده در واحد حجم در مقایسه با ذرات آلومینیوم با اندازه معمولی افزایش مییابد
با کوچکتر شدن اندازه ذرات آلومینیوم در معرض قرارگیری نانو ذرات ذر برابر اکسید کننده بهتر صورت میگیرد، بنابراین فعال سازی نانو ذرات آلومینیوم نسبت به ذرات آلومینیوم با اندازه میکرو سریعتر رخ میدهد شعله حاصل از احتراق آلومینیوم به یکنواختتر و به سطح سوزش نزدیکتر میشود که سبب افزایش در میزان حرارت بازگشتی به سطح سوزش میشود. نتیجه دیگر افزایش سطوح فعال افزایش شدت احتراق است که باعث ایجاد شعله با نقاط درخشان با شدت بیشتر میشود
استفاده از نانو ذرات آلومینیوم باعث تغییر در خواص احتراقی پیشرانهها میشود. مهمترین خواص احتراقی که در آنها تغییر ایجاد میشود شامل سرعت سوزش، نزدیکتر شدن ناحیه احتراقی، ناحیه احتراقی درخشانتر و کاهش خاکستر باقیمانده است.
