A new method of producing metal powders for additive manufacturing by the atomization of free-falling melt streams using pulsed cross-flow gaseous shock or detonation waves is proposed. The method allows the control of shock/detonation wave intensity (from Mach number 4 to about 7), as well as the composition and temperature of the detonation products by choosing proper fuels and oxidizers. The method is implemented in laboratory and industrial setups and preliminarily tested for melts of three materials, namely zinc, aluminum alloy AlMg5, and stainless steel AISI 304, possessing significantly different properties in terms of density, surface tension, and viscosity. Pulsed shock and detonation waves used for the atomization of free-falling melt streams are generated by the pulsed detonation gun (PDG) operating on the stoichiometric mixture of liquid hydrocarbon fuel and gaseous oxygen. The analysis of solidified particles and particle size distribution in the powder is studied by sifting on sieves, optical microscopy, laser diffraction wet dispersion method (WDM), and atomic force microscopy (AFM). The operation process is visualized by a video camera. The minimal size of the powders obtained by the method is shown to be as low as 0.1 to 1 μm, while the maximum size of particles exceeds 400–800 μm. The latter is explained by the deficit of energy in the shock-induced cross-flow for the complete atomization of the melt stream, in particular dense and thick (8 mm) streams of the stainless-steel melt. The mass share of particles with a fraction of 0–10 μm can be at least 20%. The shape of the particles of the finest fractions (0–30 and 30–70 μm) is close to spherical (zinc, aluminum) or perfectly spherical (stainless steel). The shape of particles of coarser fractions (70–140 μm and larger) is more irregular. Zinc and aluminum powders contain agglomerates in the form of particles with fine satellites. The content of agglomerates in stainless-steel powders is very low. In general, the preliminary experiments show that the proposed method for the production of finely dispersed metal powders demonstrates potential in terms of powder characteristics.

Представлено экспериментальное доказательство возможности перехода ударной волны (УВ) в детонацию (ПУВД) в двухфазной смеси жидкого триэтилалюминия (TЭA, Al(C2H5 )3) - пирофорного материала, реагирующего с водой, - и перегретого водяного пара в ударной трубе. Показано, что тонкая синхронизация впрыска TЭA в поток перегретого водяного пара с приходом затухающей УВ приводит к ее усилению с последующим распространением с почти постоянной скоростью 1500-1700 (при относительно малой дозе впрыска TЭA) и 2000-2300 м/с (при относительно большой дозе впрыска TЭA) в трубе в течение определенного интервала времени. Эти уровни скоростей согласуются с термодинамическими расчетами скорости детонации в бедной и близкой к стехиометрической смесях TЭA - перегретый водяной пар соответственно. При введении большой дозы ТЭА профили давления в УВ напоминают профили давления в детонационных волнах в газовых и двухфазных топливно-воздушных смесях.

Test fires of a rotating detonation engine (RDE) annular combustor operating on a methane-oxygen mixture were conducted. Compared to the original RDE combustor previously tested, it was modified in terms of changing the layout of the water cooling system, the positions of ports for sensors, and the shape of the supersonic nozzle. The stable operation process with a single detonation wave continuously rotating in the annular gap with the velocity of similar to 1900 m/s (rotation frequency of similar to 6 kHz) was obtained in the wide range of flow rates of propellant components. This is an important distinguishing feature of the present RDE combustor compared to the analogs known from the literature, which usually exhibit an increase in the number of simultaneously rotating detonation waves with an increase in the flow rates of propellant components. Compared to the original RDE combustor, the maximum duration of operation and the attained sea-level specific impulse were increased from 1 to 30 s and from 250 to 277 s, respectively. The thermal states of all heat-stressed elements of the combustor were obtained. The maximum heat fluxes are registered in the water cooling jackets of the central body and the combustor outer wall. Heat losses in the water cooling system are shown to increase with the average pressure in the combustor. The maximum value of the average heat flux over 20 MW/m(2) is achieved on the combustor outer wall. The average heat flux into the combustor outer wall is approximately 20% higher than that into the central body. The average heat flux into the nozzle is several times lower than similar values for the combustor outer wall and central body. The total heat loss into the water-cooled walls of the combustor reach about 10% of the total thermal power of the combustor.

Впервые экспериментально продемонстрирована возможность усиления ударной волны в двухфазной смеси перегретого водяного пара и жидкого триэтилалюминия (ТЭА, Al(C2H5)3). Показано, что тонкая синхронизация момента впрыска ТЭА в поток перегретого водяного пара с моментом прихода затухающей ударной волны позволяет обеспечить незатухающий характер распространения ударной волны в двухфазной среде перегретый водяной пар - ТЭА со скоростью на уровне 1500-1700 м/с. Такой уровень скорости согласуется с термодинамическим расчетом для скорости детонации в обедненной горючим смеси перегретого водяного пара с ТЭА. Поскольку зарегистрированные в экспериментах профили давления в целом не соответствуют профилю давления в детонационной волне, утверждать, что получен переход ударной волны в детонацию пока преждевременно.

Экспериментально определены условия мягкого инициирования детонации в вертикальном плоском полуограниченном слое стехиометрической этиленокислородной смеси конечной толщины. Точечное зажигание слоя производится одиночным разрядником или двумя разрядниками, разнесенными по высоте. Под мягким инициированием детонации подразумевается переход горения в детонацию (ПГД). Процесс распространения пламени/детонации фиксируется высокоскоростными черно-белой и цветной видеокамерами. Зажигание смеси одиночным разрядником приводит к тому, что по мере увеличения высоты слоя горючей смеси вероятность ПГД монотонно увеличивается от 0 до 1 и всегда имеется критическое значение высоты слоя, при котором эта вероятность имеет промежуточное значение между 0 и 1. В проведенных экспериментах критическая высота слоя составила 80-100 мм. Одновременное зажигание смеси двумя разрядниками может привести как к замедлению, так и к ускорению ПГД. Сравнение цветных и черно-белых изображений процесса ПГД показывает, что формы фронта пламени и детонационной волны в обоих случаях совпадают, однако цветное изображение позволяет получить дополнительную информацию по цвету (температуре) пламени, а черно-белое изображение с большим динамическим диапазоном лучше отображает структуру фронта пламени и детонационной волны в обоих случаях совпадают, однако цветное изображение позволяет получить дополнительную информацию по цвету (температуре) пламени, а черно-белое изображение с большим динамическим диапазоном лучше отображает структуру фронта пламени и детонационной волны. Полученные результаты могут быть использованы при разработке способов безопасного и надежного запуска непрерывно-детонационных двигателей (НДД), при котором требуется тщательное управление временем заполнения камеры сгорания двигателя горючим и окислителем, а также временем зажигания образующейся смеси.

The patterns of catalytic ignition of deuterium–air mixtures above the surface of metallic rhodium at pressures of 1–2 atm and temperatures of 20–250°C using hyperspectrometers in the range of 400–1650 nm and high-speed filming have been established. It is established that the catalytic ignition of deuterium–air mixtures in the studied temperature range is observed at a deuterium content of more than 12

Presented in the article are the design and operation principles of ion sensors intended for detecting the propagating reaction fronts, the deflagration/detonation mode, apparent subsonic/supersonic propagation velocity of the reaction front, and duration of heat release by measuring the ion current in the reactive medium. The electrical circuits for ion sensors without and with intermediate amplifiers, with short response time and high sensitivity, as well as with the very wide dynamic range of operation in the reactive media with highly variable temperature and pressure, are provided and discussed. The main advantages of ion sensors are their very short response time of about 1 ms, versatility of design, and capability of detecting and monitoring reaction fronts of different intensities directly in combustion chambers. Several examples of ion sensor applications in sensing deflagration-to-detonation transition in pulsed detonation engines and developed detonations in rotating detonation engines operating on different fuel–air and fuel–oxygen mixtures are presented and discussed.

При проектировании силовых установок нового типа, работающих на детонационном горении топлив, используется концепция «быстрого» перехода горения в детонацию (ПГД): пламя, возникшее от слабого источника зажигания, ускоряется настолько быстро, что ударная волна высокой интенсивности образуется на минимальном расстоянии от источника зажигания, а сама интенсивность ударной волны оказывается достаточной для ее быстрого перевода в детонацию с помощью того или иного дополнительного воздействия. Концепция быстрого ПГД подразумевает принятие специальных мер по организации горения смеси в трубе: необходимо предусмотреть эффективные средства ускорения пламени и ударной волны, образованной пламенем. На новой эталонной импульсно-детонационной трубе (ЭДТ), используемой в работе, благодаря использованию трубы с диаметром, близким к предельному диаметру распространения детонации для воздушных смесей штатных углеводородных горючих, спирали Щёлкина, обеспечивающей быстрое ускорение пламени, и участка спиралевидной трубы с десятью витками, обеспечивающего газодинамическую фокусировку ударной волны, порожденной пламенем, удавалось надежно регистрировать ПГД в воздушных смесях газообразных горючих с существенно различающейся детонационной способностью (ДС) (водород, метан, пропан, этилен и бинарные смеси водород + метан, водород + пропан и водород + этилен) на кратчайших расстояниях и за кратчайшее время.

Непрерывно-детонационные двигатели (НДД) считаются перспективными двигателями для аэрокосмических приложений. Инициирование детонации в НДД может сопровождаться разрушительным взрывом избыточного объема топливной смеси в камере сгорания. Для исключения этого явления требуется «мягкое», а не «сильное» инициирование детонации. Для мягкого инициирования детонации в НДД необходимо воспламенить смесь определенного минимального объема, достаточного для перехода горения в детонацию (ПГД). В данной работе экспериментально получены критические условия инициирования детонации через ПГД в полуограниченной щелевой камере сгорания, моделирующей камеру сгорания НДД с раздельной подачей этилена и кислорода, разбавленных азотом (от 0 до 40 %(об.)) при коэффициенте избытка горючего в образующейся смеси от 0,3 до 2,3. Оказалось, что для мягкого инициирования детонации необходимо воспламенить смесь по достижении критической (минимальной) высоты слоя горючей смеси. Так, для мягкого инициирования детонации в неразбавленной смеси C2 H4 ++ 3O2 , заполняющей такую щелевую камеру сгорания, высота слоя смеси должна превышать ширину щели примерно в 12 раз. Если использовать поперечный размер детонационной ячейки λ , то минимальная высота слоя такой смеси в экспериментах составила ∼ 150 λ . По сравнению с экспериментами с предварительно подготовленной горючей смесью критическая высота слоя оказалась на 20% больше, что объясняется конечной скоростью смесеобразования. С увеличением степени разбавления кислорода азотом критическая высота слоя увеличивается, а роль конечной скорости смесеобразования снижается: результаты перестают зависеть от способа формирования горючей смеси.

The ignition temperatures and effective activation energies of the ignition limits of mixtures (40–70% H2 + 60–30% CH4)stoich + air over Rh were experimentally determined at a pressure of 1 atm in the temperature range 20–300 °C. Over an ignition-treated Rh surface, the ignition temperature of a mixture of 70% H2 + 30% methane + air is 62 °C. This indicates the potential of using Rh to markedly lower the ignition temperature of fuels based on hydrogen–methane mixtures.

Rotating detonation engines (RDEs) are considered to be promising thrusters for aerospace propulsion. Detonation initiation in RDEs can be accompanied by a destructive explosion of an excess volume of the fuel mixture in the combustor. To exclude this phenomenon, a “mild” rather than “strong” initiation of detonation is required. For the mild initiation of detonation in RDEs, it is necessary to ignite a mixture of a certain minimum volume sufficient for deflagration-to-detonation transition (DDT). In this study, the critical conditions for detonation initiation through DDT in a semiconfined slit combustor simulating the RDE combustor with a separate supply of ethylene and oxygen diluted with nitrogen (from 0 to 40%) were obtained experimentally. It turned out that for the mild initiation of detonation, it is necessary to ignite the mixture upon reaching the critical (minimum) height of the combustible mixture layer. Thus, for the mild initiation of detonation in the undiluted C2H4 + 3O2 mixture filling such a slit combustor, the height of the mixture layer must exceed the slit width by approximately a factor of 12. In terms of the transverse size of the detonation cell λ the minimum layer height of such mixtures in experiments is ~150λ. Compared to the experiments with the premixed composition, the critical height of the layer is 20% larger, which is explained by the finite rate of mixing. As the degree of oxygen dilution with nitrogen increases, the critical height of the layer increases, and the role of finite rate mixing decreases: the results no longer depend on the method of combustible mixture formation.

The conditions for the mild initiation of the detonation of homogeneous stoichiometric ethylene-oxygen mixtures diluted with nitrogen up to ~40%vol. in a planar semi-confined slit-type combustor with a slit 5.0 ± 0.4 mm wide, simulating the annular combustor of a Rotating Detonation Engine (RDE), are determined experimentally using self-luminous high-speed video recording and pressure measurements. To ensure the mild detonation initiation, the fuel mixture in the RDE combustor must be ignited upon reaching a certain limiting (minimal) fill with the mixture and the arising flame must be transformed to a detonation via deflagration-to-detonation transition (DDT). Thus, for mild detonation initiation in a C2H4 + 3O2 mixture filling the slit, the height of the mixture layer must exceed the slit width by approximately 10 times (~50 mm), and for the C2H4 + 3(O2 + 2/5 N2) mixture, by approximately 60 times. The limiting height of the mixture layer required for DDT exhibits a sharp increase at a nitrogen-to-oxygen mole ratio above 0.25. Compared to the height of the detonation waves continuously rotating in the RDE combustor in the steady-state operation mode, for a mild start of the RDE, the fill of the combustor with the explosive mixture to a height of at least four times more is required.

Systematic three-dimensional numerical simulations of flame acceleration and deflagration-to-detonation transition (DDT) in a semi-confined flat slit combustor are performed. The combustor is assumed to be partly filled with the stoichiometric ethylene–oxygen mixture at normal pressure and temperature conditions. The objective of the study is to reveal the conditions for DDT in terms of the minimum height of the combustible mixture layer in the slit, the maximum dilution of the mixture with nitrogen and the maximum slit width. The results of the calculations are compared with the available experimental data. The calculation results are shown to agree satisfactorily with the experimental data on the slit-filling dynamics, flame structure, the occurrence of the preflame self-ignition center, DDT, and detonation propagation. DDT occurs in the layer at a time instant when the flame accelerates to a velocity close to 750 m/s. DDT occurs near the slit bottom due to the formation of the self-ignition center ahead of the leading edge of the flame as a result of shock wave reflections from the walls of injector holes at the slit bottom and from the corners of the conjugation of the slit bottom and side walls. The decrease in the height of the mixture layer, the dilution of the mixture with nitrogen, and the increase in the slit width are shown to slow down flame acceleration in the slit and increase the DDT run-up distance and time until DDT failure. The obtained results are important for determining the conditions for mild initiation of detonation via DDT in semi-confined annular RDE combustors.

It was found that the reactivity of a hydrocarbon during oxidation catalyzed by a noble metal begins to play a significant role with an increase in the number of carbon atoms in its molecule. Thus, the process of hydrocarbon mass transfer to (or on) the catalyst surface determines the oxidation rate.

The values of the ignition temperature are experimentally determined and the effective activation energies of the limits of catalytic ignition of mixtures ((40–70

Экспериментально определены значения температуры воспламенения и оценены эффективные энергии активации пределов каталитического воспламенения смесей ((40÷70%)H 2 + (60÷30%)CH 4 ) стех + + воздух над металлическим родием при давлении 1.7 атм в температурном интервале 20–300 °C. Над поверхностью родия, обработанной воспламенениями, температура каталитического воспламенения смеси 70% H 2 + 30% CH 4 + воздух составляет 62 °C, что указывает на возможность использования родия для существенного снижения температуры воспламенения топлив на основе водородно-метановых смесей. Экспериментально обнаружен критический характер осуществления объемной реакции: объемный процесс происходит при [H 2 ] = 45%, но отсутствует при концентрациях водорода ≤40%. Если [H 2 ] ≤ 40%, происходит только медленная поверхностная каталитическая реакция. Это явление проиллюстрировано посредством качественного расчета. Установлено, что эффективные энергии активации как верхнего, так и нижнего пределов каталитического воспламенения стехиометрических смесей H 2 + CH 4 в диапазоне линейности равны примерно (2.5 ± 0.6) ккал/моль. Это означает, что ключевые реакции, ответственные за возникновение верхнего и нижнего пределов каталитического воспламенения, одинаковы. Показано, что при катализе родиевым катализатором процесс развития цепи, скорее всего, имеет гетерогенную природу, поскольку эффективная энергия активации составляет менее 3 ккал/моль.

Установлено, что определяющим фактором каталитического воспламенения смесей водорода с этаном и этиленом является химическая природа не только катализатора, но и углеводорода С 2 в смеси с Н 2 . Показано, что пределы каталитического воспламенения синтез-газа над поверхностью металлического родия качественно отличаются от зависимостей для смесевого горючего водород–углеводород. Зависимость нижнего предела каталитического воспламенения от температуры имеет отчетливый максимум, что указывает на более сложный механизм каталитического процесса, чем в случае смесей водород–метан. Аррениусовская зависимость ln[H 2 ] lim от 1/ T не выполняется. Поэтому следует уточнить интерпретацию верхнего и нижнего пределов каталитического воспламенения, принятую в литературе. Относительно длительные периоды задержки каталитического воспламенения смесей водород–н-пентан (десятки секунд) и отсутствие их зависимости от начальной температуры позволяют сделать вывод, что каталитическое воспламенение смесей водород–пропан/н-пентан определяется скоростью переноса молекул углеводорода к поверхности каталитической проволоки. Таким образом, при окислении смесей водород–углеводород для легких углеводородов основным фактором, определяющим каталитическое воспламенение, является реакция окисления водорода на каталитической поверхности. При увеличении числа атомов углерода в углеводороде значительную роль начинают играть факторы, связанные с химической структурой (т.е. с реакционной способностью углеводорода при каталитическом окислении), и затем скорость окисления уже определяется скоростью диффузии углеводорода к поверхности катализатора.

Triethylaluminum Al(C2H5)3, TEA, and triethylborane, B(C2H5)3, TEB, are transparent, colorless, pyrophoric liquids with boiling points of approximately 190 °C and 95 °C, respectively. Upon contact with ambient air, TEA, TEB, as well as their mixtures and solutions, in hydrocarbon solvents, ignite. They can also violently react with water. TEA and TEB can be used as hypergolic rocket propellants and incendiary compositions. In this manuscript, a novel scheme of the heterogeneous interaction of gaseous oxygen with liquid TEA/TEB microdroplets accompanied by the release of light hydrocarbon radicals into the gas phase is used for calculating the self-ignition of a spatially homogeneous mixture of fuel microdroplets in ambient air at normal pressure and temperature (NPT) conditions. In the primary initiation step, TEA and TEB react with oxygen, producing an ethyl radical, which can initiate an autoxidation chain. The ignition delay is shown to decrease with the decrease in the droplet size. Preliminary experiments on the self-ignition of pulsed and continuous TEA–TEB sprays in ambient air at NPT conditions are used for estimating the Arrhenius parameters of the rate-limiting reaction. Experiments confirm that the self-ignition delay of TEA–TEB sprays decreases with the injection pressure and provide the data for estimating the activation energy of the rate-limiting reaction, which appears to be close to 2 kcal/mol.