Учёные из Томска научили компьютер предсказывать воспламенение ракетного топлива

Представьте топливо, которое загорается само — без спичек, зажигалки и любого другого источника огня. Просто два вещества встречаются — и вспыхивают. Именно такое топливо используют в аэрокосмической технике, например в системах аварийного старта ракет. Управлять им непросто: нужно точно знать, когда и как оно воспламенится. Учёные Томского политехнического университета совместно с коллегами из МИСиС сделали большой шаг к решению этой задачи.

Исследователи разработали математическую модель, которая умеет предсказывать поведение самовоспламеняющегося топлива — причём делает это достаточно точно, чтобы использовать результаты на практике. До этого существующие модели не могли надёжно рассчитать ключевые параметры: при какой температуре начнётся горение, как быстро испаряются компоненты, как они смешиваются. Новая разработка томских учёных закрывает этот пробел.

Чтобы проверить модель, учёные ставили реальные эксперименты с крошечными каплями топлива размером от 1 до 3 миллиметров — примерно как маленькая дождевая капля. В качестве топлива использовали специальное химическое вещество TMEDA, в качестве окислителя — концентрированную азотную кислоту. При контакте они вспыхивают сами. Учёные замеряли, сколько времени проходит от момента контакта до воспламенения, и сравнивали с тем, что рассчитала модель.

Результаты оказались убедительными. «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», — отмечает один из авторов исследования, доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Ольга Высокоморная.

Помимо точных прогнозов, учёные обнаружили неожиданные закономерности. «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», — добавляет Ольга Высокоморная.

Проще говоря: капли до 3 мм ведут себя по-разному в зависимости от размера, а вот более крупные капли уже воспламеняются примерно одинаково — размер перестаёт играть роль. Это важно знать при проектировании реальных двигателей и топливных систем.

В перспективе разработка поможет создавать более безопасные и предсказуемые топливные системы для космической и авиационной техники. Исследование опубликовано в авторитетном международном журнале FirePhysChem и поддержано грантом Российского научного фонда.