RESULTS OF LABORATORY STUDIES OF THE EFFECT OF AN ELECTRIC FIELD ON THE ICE-FORMING PROPERTIES OF THE AD-1 PYROTECHNIC COMPOSITION
RESULTS OF LABORATORY STUDIES OF THE EFFECT OF AN ELECTRIC FIELD ON THE ICE-FORMING PROPERTIES OF THE AD-1 PYROTECHNIC COMPOSITION
Abstract
This article presents the equipment, methodology, and results of laboratory studies on the effect of an electric field on the ice-forming properties of the highly effective ice-forming composition ‘AD-1’ with 8% AgI content, which is used to equip third-generation anti-hail complexes of the ‘Alazan’ family. A special set of equipment was created for conducting laboratory experiments, and a method of charging reagent particles in the electric field of a flat capacitor was used.
The results of tests on the ice-forming component AD-1 in the presence of an electric field are presented. According to the conducted research, the presence of an electric field reduces the yield of ice-forming particles across the entire range of accepted temperatures, from minus 3 °C to minus 12 °C. It was found that the specific yield of ice-forming nuclei decreases threefold when the electric field strength increases from 100 to 300 V/cm.
In experiments without an electric field, on the contrary, an increase in ice-forming particles is observed, with maximum yield in the temperature range from minus 11°C to minus 12°C, followed by a further decrease and a sharp jump at minus 14°C.
1. Введение
Известно, что в электрических явлениях, сопутствующих термодинамически необратимым фазовым переходам в облаке, происходит сильнейшая электризация поверхности как реагентов, так и образующихся частиц. Между тем есть основания считать, что их роль значительна . В работах , анализируется увеличение электрической активности в конвективных облаках после проведения воздействий льдообразующим кристаллизующим реагентом AgI. Анализ свидетельствует об увеличении электрической активности в облаках после проведения активных воздействий на основе частоты молниевых разрядов, которая рассчитывалась по радиолокационным характеристикам исследуемых облаков.
В настоящее время совершенствуются реагенты и технические средства для активных воздействий (АВ) , , , . Отмечено, что при проведении АВ на облачные системы, наличие в атмосфере электрического поля и заряда на частицах реагента может влиять на удельный выход льдообразующих ядер. В данной статье представлен анализ результатов, полученных лабораторным путем.
2. Методы и принципы исследования
Для изучения влияния электрического поля на льдообразующие свойства пиротехнического состава АД-1 и его льдообразующие свойства был создан комплекс аппаратуры. В данный комплекс входит большая облачная камера, устройство для возгонки реагента, пластины плоского конденсатора, высоковольтный выпрямитель, электронные весы Adventurer, аппаратура для регистрации ледяных кристаллов, в состав которой входит оптический микроскоп Motic. Пластины конденсатора, состоящие из меди, расположены на вертикальных стойках, закрепленных на изолированной поверхности. Расстояние между пластинами 0,04 м. Лабораторные исследования проводились при относительной влажности 100% и в диапазоне температур от –3 до –14 °С, уровень влажности и температуры в облачной камере контролировался с помощью термогигрометра ТКА-ПКМ 24.
Предварительно на электронных весах взвешивается определенное количество реагента. Он закладывается на пластинку слюды над спиралью устройства для возгонки реагента. На пластины конденсатора с высоковольтного выпрямителя подается напряжение, после чего на контакты нихромовой спирали устройства для возгонки реагента подается напряжение. Спираль раскаляется и диспергирует реагент. Процесс возгонки записывается на видео. После возгонки отключается электрическое поле, воздух в камере перемешивается вентилятором. Облачная камера охлаждается до заданной температуры, из устройства для создания искусственной облачной среды запускается пар. После создания искусственного облака в камеру вносится шприцем объемом 400 мл проба аэрозоля из камеры возгонки. Воздух в камере перемешивается. С появлением кристаллов открывают подложки. После осаждения кристаллов подложки накрывают, извлекают из камеры и изучают под оптическим микроскопом.
Выход активных частиц A на единицу массы переведенного в аэрозоль вещества (г-1) после запуска реагента определяется по формуле:
где:
n — число ледяных кристаллов в поле зрения микроскопа;
V — объем аэрозольной камеры, см3;
S — площадь пола облачной камеры, см2;
s — площадь поля зрения микроскопа, см2;
v — объем пробы аэрозоля, см3;
m — масса переведенного в аэрозоль вещества, г.
В качестве верхнего предела может рассматриваться теоретический выход активных частиц для наиболее активного льдообразующего вещества — йодистого серебра — при наименьшей температуре измерения минус 25 °С, равный 1019 г-1.
3. Основные результаты
Эксперименты были проведены в камере возгонки при напряженности электрического поля 300 В/см, а также без поля. Результаты экспериментов приведены в таблицах 1–2 и на рисунке 1.
Таблица 1 - Удельный выход кристаллов при наличии электрического поля
Расстояние между пластинами, м | Температура в камере °С | Масса реагента, г | Напряжение, кВ | Удельный выход, ×1012×nкр/греаг |
0,04 | –14,0 | 0,01 | 9,0 | 2,4 |
0,04 | –13,5 | 0,01 | 5,0 | 2,3 |
0,04 | –13,0 | 0,01 | 5,0 | 2,6 |
0,04 | –12,5 | 0,01 | 5,0 | 2,3 |
0,04 | –12,0 | 0,01 | 2,5 | 2,6 |
0,04 | –11,5 | 0,01 | 5,0 | 2,9 |
0,04 | –11,0 | 0,01 | 5,0 | 2,2 |
0,04 | –10,5 | 0,01 | 9,0 | 2,1 |
0,04 | –10,0 | 0,01 | 5,0 | 2,3 |
Таблица 2 - Удельный выход кристаллов при отсутствии электрического поля
Температура в камере °С | Масса реагента, г | Удельный выход, ×1012 nкр/греаг |
–14,0 | 0,01 | 4,1 |
–13,5 | 0,01 | 4,0 |
–13,0 | 0,01 | 3,0 |
–12,5 | 0,01 | 2,8 |
–12,0 | 0,01 | 3,6 |
–11,5 | 0,01 | 3,8 |
–11,0 | 0,01 | 3,0 |
–10,5 | 0,01 | 2,0 |
–10,0 | 0,01 | 2,1 |
Рисунок 1 - Зависимость удельного выхода кристаллов от температуры при наличии (300 В/см) и отсутствии электрического поля при возгонке реагента
При возгонке реагента в электрическом поле, создаваемом однополярным выпрямителем, отклонение потока реагента происходило преимущественно на заземленную пластину (рисунок 2).
Рисунок 2 - Отклонение потока частиц реагента при возгонке с помощью однополярного выпрямителя
Рисунок 3 - Отклонение потока частиц реагента при возгонке в электрическом поле
3.1. Результаты исследований льдообразующих свойств пиротехнического состава АД-1 при наличии электрического поля
Полученные результаты лабораторных экспериментов по определению удельного выхода кристаллов при наличии электрического поля представлены в таблице 3.
Таблица 3 - Значение удельного выхода кристаллов при наличии электрического поля
Напряженность, В/см | Температура в камере, °С | Масса реагента, г | Среднее количество кристаллов в кадре | Удельный выход, ×1011 г-1 |
300 | -8,0 | 0,21 | 106 | 0,63 |
297 | -9,0 | 0,21 | 35 | 0,21 |
290 | -8,0 | 0,21 | 169 | 1,00 |
293 | -7,4 | 0,21 | 255 | 1,50 |
270 | -11,2 | 0,18 | 19 | 0,13 |
270 | -10,5 | 0,21 | 1009 | 6,00 |
233 | -9,9 | 0,20 | 603 | 3,80 |
233 | -9,9 | 0,21 | 173 | 1,03 |
233 | -7,7 | 0,21 | 1112 | 6,60 |
233 | -7,3 | 0,21 | 58 | 0,35 |
233 | -6,5 | 0,21 | 178 | 1,60 |
233 | -5,2 | 0,19 | 71 | 0,46 |
100 | -7,8 | 0,21 | 493 | 2,90 |
90 | -8,6 | 0,21 | 876 | 5,20 |
90 | -7,7 | 0,21 | 544 | 3,20 |
На рисунке 4 представлена зависимость удельного выхода кристаллов от напряженности электрического поля. Можно заметить, что с увеличением напряженности электрического поля удельный выход кристаллов имеет тенденцию к уменьшению, причем достаточно быстрыми темпами.
Рисунок 4 - Зависимость удельного выхода кристаллов от напряженности электрического поля
Зависимость удельного выхода льдообразующих ядер от напряженности электрического поля описывается уравнением:
A=-0,1E+47,5,
где A — удельный выход льдообразующих ядер, г-1;
E — напряженность электрического поля, В/см.
Как видно из уравнения, с увеличением напряженности электрического поля удельный выход кристаллов уменьшается. Известно, что электрический эффект, возникающий при кристаллизации, существенно зависит от химического состава облачной воды. В реальных условиях в облачной воде обычно растворены кислоты, щелочи, соли. В зависимости от их содержания эффект электризации кристаллизующихся капель может либо усиливаться, либо ослабляться.
Аналогичным образом были проведены эксперименты при отсутствии электрического поля.
Таблица 4 - Значение удельного выхода кристаллов при отсутствии электрического поля
Температура в камере, °С | Масса реагента, г | Среднее количество кристаллов в кадре | Удельный выход, ×1011 г-1 |
-10,6 | 0,21 | 1115 | 6,6 |
-10,6 | 0,21 | 585 | 3,5 |
-10,5 | 0,21 | 1016 | 6,0 |
-9,9 | 0,21 | 617 | 3,7 |
-9,9 | 0,21 | 686 | 4,1 |
-9,7 | 0,21 | 436 | 2,6 |
-9,7 | 0,21 | 2087 | 12,0 |
-9,5 | 0,21 | 263 | 1,6 |
-9,4 | 0,21 | 909 | 5,4 |
-9,3 | 0,21 | 432 | 2,6 |
-8,6 | 0,21 | 286 | 1,7 |
-8,5 | 0,21 | 338 | 2,0 |
-8,2 | 0,21 | 1348 | 8,0 |
-7,9 | 0,21 | 1134 | 6,8 |
Анализ результатов, приведенных в таблицах 3–4 показывает, что удельный выход льдообразующих ядер при напряженности электрического поля 100 В/см при температурах минус 6–7оС уменьшается в 1,5 раза. При повышении напряженности электрического поля от 233 до 270 В/см при температуре минус 7–8 оС удельный выход льдообразующих ядер уменьшается в два раза. При повышении напряженности электрического поля от 270 до 300 В/см при температуре минус 8–9 оС удельный выход льдообразующих ядер уменьшается в три раза. Из вышесказанного следует, что при возгонке опытного материала под влиянием электрического поля удельный выход льдообразующих частиц уменьшается даже при понижении температуры.
4. Заключение
Разработана аппаратура и методика для исследования влияния электрического поля на льдообразующую эффективность пиротехнического состава АД-1. На основе анализа полученных результатов выявлено, что с увеличением напряженности электрического поля удельный выход кристаллов уменьшается, что, по-видимому, связано с влиянием электрического поля на конденсационные и коагуляционные процессы. Получена зависимость удельного выхода льдообразующих частиц опытного материала от напряженности электрического поля при разных температурах.
При АВ на градовые процессы реагент вносится в облачный слой между уровнями изотерм минус 6 ÷ 10 °С, наличие же электрического поля на этом уровне может привести к ослаблению льдообразующих свойств, вносимого реагента и, соответственно, к определенному снижению концентрации льдообразующих частиц. Таким образом, анализ и учет влияния различных параметров облака на эффективность кристаллизующих реагентов будет способствовать разработке более эффективных пиротехнических составов, также повлияет на правильную дозировку вносимого реагента и общий расход для достижения максимального эффекта в зависимости от поставленных целей проекта.