ТВЕРДОТОПЛИВНАЯ КОМПОЗИЦИЯ НА ОСНОВЕ НИТРАТА АММОНИЯ
SOLID-PROPELLANT COMPOSITION BASED ON AMMONIA NITRATE

Изобретение относится к области разработки твердых топлив на основе нитрата аммония (НА), а именно к получению высокоэнергетических твердотопливных композиций с высокой скоростью горения, слабой зависимостью скорости горения от давления и низким содержанием токсичных компонентов и твердых конденсированных веществ в продуктах сгорания.
4
4
2
4
Современные композиции высокоэнергетических твердых топлив состоят из трех основных компонентов - окислителя, полимерного горючего-связующего и порошка алюминия в качестве металлического горючего [1]. В традиционных композициях в качестве окислителя используется NHClO - перхлорат аммония (ПХА), образующий при горении топлив на его основе свободный хлор Сl и ряд его токсичных соединений (НСl, НСlO и др.). Эти компоненты обладают неблагоприятным воздействием на окружающую среду (выпадение кислотных дождей, образование озонных дыр и т.п.) [2, 3].
4
3
Одним из перспективных подходов к решению проблемы снижения токсичных выбросов, которая особенно актуальна в связи с активизацией ракетно-космической деятельности (запуски коммерческих спутников в ряде стран), является использование в качестве окислителя NHNO - нитрата аммония, частично или полностью замещающего ПХА [4, 5]. Этот окислитель на порядок дешевле ПХА и не образует при горении экологически вредных продуктов. Однако топлива на основе НА характеризуются низкими значениями температуры горения и, как следствие, низкими уровнями основной энергетической характеристики - удельного импульса тяги [4]. Для повышения энергетических характеристик в твердотопливные композиции на основе НА вводят порошки алюминия промышленных марок АСД-1, АСД-4, АСД-6 и т.д., существенно повышающие адиабатическую температуру горения топлив [1, 4]. Порошки марок АСД содержат частицы алюминия диаметром (1÷25) мкм. Дисперсные характеристики АСД-1 приведены в табл.1 [5, 6].
Таблица 1
Дисперсные характеристики порошков
Марка порошка
D<sub>10</sub>, мкм
D<sub>20</sub>, мкм
D<sub>30</sub>, мкм
D<sub>32</sub>, мкм
D<sub>43</sub>, мкм
АСД-1
1.4
12.0
13.6
17.4
21.9
"ALEX"
0.12
0.13
0.14
0.16
0.18
Наиболее близким по техническому решению к заявляемой твердотопливной композиции на основе нитрата аммония является состав [7], содержащий следующие компоненты, мас.%:
Нитрат аммония
71.8
Каучук марки СКДМ-80
13.2
Порошок алюминия марки АСД-1
15.0
Отверждающий агент
0.1 сверх 100%
В качестве отверждающего агента использован ди-N-оксид-1,3-динитрил-2, 4, 6-триэтил-бензол (условное название ТОН-2), который позволяет отверждать топливную систему при комнатной температуре (20÷25)°С в течение суток и избежать полиморфных превращений НА [8].
Характеристики топливной композиции на основе нитрата аммония, выбранной в качестве прототипа, приведены в табл.2.
Таблица 2
Характеристики прототипа
Характеристика
Величина
Скорость горения при давлении 4 МПа
u=4.4±0.1 мм/с
Скорость горения при атмосферном давлении
u<sub>1</sub>=0.9 мм/с
Показатель степени в законе скорости горения
ν=0.43
Удельный импульс
J<sub>1</sub>=233 с
Содержание твердых продуктов сгорания при атмосферном давлении
z=(20÷25) мас.%
1
Здесь u, ν являются константами в степенном законе скорости горения
1
ν
u=u·ρ,
1
где размерности [u]=[u]=мм/с; [р]=МПа.
Содержание конденсированных твердых веществ z определено в условиях горения топлива при атмосферном горении и является оценочной величиной для сравнения с другими топливными композициями. В условиях горения при давлении р=4 МПа величина z снижается в (7÷10) раз.
К недостаткам прототипа относятся невысокий уровень скорости горения, повышенная чувствительность к давлению, значительное содержание твердых веществ в продуктах сгорания.
Задачей настоящего изобретения является разработка твердотопливной композиции с более высоким уровнем скорости горения, меньшей зависимостью скорости горения от давления, меньшим содержанием твердых конденсированных продуктов сгорания при относительно невысокой себестоимости топливной композиции.
Поставленная задача решается тем, что разработана твердотопливная композиция на основе нитрата аммония, содержащая нитрата аммония, каучук марки СКДМ-80, порошок алюминия и ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтил-бензол в качестве отвердителя, отличающаяся тем, что топливо дополнительно содержит смесь порошков алюминия марок АСД-1 и "ALEX" в соотношении 1:1, при следующем содержании компонентов, мас.%:
Нитрат аммония
71.8
Каучук марки СКДМ-80
13.2
Порошок алюминия марки АСД-1
7.5
Порошок алюминия марки "ALEX"
7.5
ТОН-2
0.1 сверх 100%
Порошок алюминия марки "ALEX" является ультрадисперсным порошком (размер частиц ~0.1 мкм), полученный методом электрического взрыва проводников [6], дисперсные характеристики приведены в табл.1.
Пример
На аналитических весах с точностью до ±0.002 г взвешивают навески соответствующих веществ
Нитрат аммония
71.8 г
Каучук марки СКДМ-80
13.2 г
Порошок алюминия марки АСД-1
7.5 г
Порошок алюминия марки "ALEX"
7.5 г
ТОН-2
0.01 г
Полученную смесь перемешивают механическим способом в смесителе типа "БЭКОН" с последующим проходным прессованием образцов заданного размера.
В работе использовали цилиндрические образцы диаметром 10 мм, бронированные по боковой поверхности. Высоту образцов варьировали в зависимости от характера проводимого эксперимента. Скорость горения образцов измеряли в приборе постоянного давления в атмосфере азота в интервале давлений (2÷12) МПа, после чего рассчитывали константы в законе скорости горения. Удельный импульс топливных композиций рассчитывался по программе "АСТРА-4". Содержание твердых продуктов сгорания определяли при сжигании образцов на открытом воздухе при комнатной температуре и отборе конденсата в кварцевом отборнике.
Для решения поставленной задачи исследовались топливные композиции, отличающиеся природой металлического горючего. В композициях использовались смеси порошков алюминия АСД-1 и "ALEX", взятых в соотношении 9:1, 1:1, 1:9, и топлив, в которых АСД-1 полностью заменен на "ALEX" (0:10). Содержание металлического горючего в топливных композициях, независимо от природы, составляло 15 мас.%.
Результаты исследований приведены в табл.3.
Таблица 3
Характеристики разрабатываемых составов
Характеристика
Содержание АСД-1/"ALEX"
10:0
9:1
1:1
1:9
0:10
Скорость горения при 4.0 МПа, мм/с
4.4±0.1
5.4±0.2
7.5±0.2
7.6±0.2
7.7±0.2
u, мм/с
0.9
1.2
2.0
2.1
2.2
ν
0.43
0.41
0.46
0.35
0.34
Удельный импульс, с
233
233
233
233
233
z, мас.%
20÷25
17÷20
10÷12
10÷12
10÷12
Расчетная величина удельного импульса зависит от количества и химической природы металлического горючего и не зависит от дисперсности металла. Поэтому для всех исследуемых систем удельный импульс величина постоянная.
Сравнение полученных результатов (табл.3) с характеристиками прототипа (табл.2) показало, что по мере увеличения в металлическом горючем доли "ALEX" увеличивается скорость горения, уменьшается показатель степени в законе горения и содержание твердых продуктов сгорания. Так при полной замене АСД-1 на "ALEX" скорость горения топлив при 4 МПа увеличивается в 1.75 раза, показатель степени в законе скорости горения снижается в 1.27 раза, а содержание твердых продуктов сгорания при атмосферном давлении уменьшается практически в два раза.
Следует отметить, что топливные составы, содержащие в металлическом горючем не менее 50% "ALEX", по своим характеристикам близки к композициям, содержащим "ALEX". Так как ультрадисперсный порошок алюминия "ALEX" является дорогостоящим продуктом, то с точки зрения снижения себестоимости топливных композиций целесообразно использовать в качестве металлического горючего механическую смесь порошков алюминия марок АСД-1 и "ALEX" в соотношении 1:1.
Сравнение свойств предлагаемой композиции с топливами, содержащими в качестве металлического горючего исходный алюминий марок АСД-1 и "ALEX" (табл.1 и 2), показало, что характеристики разработанного состава практически совпадают с характеристиками систем, содержащих "ALEX".
Расхождение в значениях определяемых величин составляет не более (3-6)%. Так, скорость горения предлагаемого состава при 4.0 МПа увеличивается в 1.7 раза по сравнению с системами, содержащими АСД-1, показатель в законе скорости горения уменьшается в 1.2 раза, а содержание твердых продуктов сгорания уменьшается в два раза. Для систем, содержащих исходный "ALEX", эти величины равны 1.75, 1.27 и 2.0 соответственно.
Снижение содержания "ALEX" в металлическом горючем в два раза способствует существенному снижению себестоимости топливной композиции, что позволяет предлагать разработанный состав для промышленного использования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Энергетические конденсированные системы: Краткий энциклопедический словарь / Под ред. Б.П.Жукова. - М.: Янус-К, 2000. - 596 с.
2. Сарнер С. Химия ракетных топлив. - М.: Мир, 1969. - 488 с.
3. Паушкин Я.М. Жидкие и твердые химические ракетные топлива. - М.: Наука, 1978-192 с.
4. Милехин Ю.М., Ларионов Б.И., Пардянов Н.Н. и др. Технико-экономические исследования по разработке твердых ракетных топлив пониженной стоимости и повышенной экологической безопасности для маршевых двигательных установок и твердотопливных ускорителей ракетно-космических комплексов // Известия РАРАН. 2004, №2 (39). - С.82-87.
5. Порошок алюминиевый высокодисперсный АСД-1, АСД-4, АСД-6: Технические условия 48-5-226-87. ООО "СУАЛ-ПМ", г.Шелехов, 1987.
6. Архипов В.А., Бондарчук С.С., Коротких А.Г., Лернер М.И. Технология получения и дисперсные характеристик нанопорошков алюминия // Горный журнал - Цветные металлы (Специальный выпуск). 2006, №4. - С.58-64.
7. Архипов В.А., Попок В.Н., Попок Н.И., Савельева Л.А. Горение металлизированных топливных композиций на основе нитрата аммония. // V Международная школа-семинар. "Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем". Санкт-Петербург. 2006. - С.10-13.
8. Ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтил-бензол. ТУ 2471-307-05121441-98, СКТБ "Технолог" г.Санкт-Петербург.