НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЕ ТВЕРДОЕ ТОПЛИВО
LOW-TEMPERATURE SOLID PROPELLANT

Изобретение относится к области разработки газогенерирующих низкотемпературных твердых топлив, содержащих нитрат аммония в качестве окислителя.
Известны низкотемпературные твердые топлива, содержащие нитрат аммония в качестве окислителя и полимерное горючее-связующее [1]. Данные топлива используются в качестве источников энергии твердотопливных ракетных двигателей, а также твердотопливных газогенераторов различного назначения (наддув автомобильных подушек безопасности, распыливание хладагента в системах пожаротушения, системы газотермического воздействия на призабойную зону нефтесодержащих пластов с целью повышения нефтеотдачи и т.д.).
Твердые топлива на основе нитрата аммония имеют низкую (по сравнению с топливами на основе традиционно используемого в качестве окислителя перхлората аммония) температуру горения, и, соответственно, низкую температуру продуктов сгорания [2]. Это является их преимуществом при использовании в качестве газогенерирующих топливных композиций.
Использование нитрата аммония в качестве окислителя обеспечивает улучшение экологических характеристик продуктов сгорания (за счет отсутствия в них токсичных хлорсодержащих компонентов) и снижает себестоимость твердых топлив по сравнению с перхлоратными составами [3].
Известны способы увеличения скорости горения твердотопливных композиций на основе нитрата аммония за счет использования в качестве горючих-связующих либо соединений, насыщенных азотом, либо быстрогорящих компонентов. Также увеличение скорости горения достигается введением 3 мас.% наноразмерных каталитических добавок - металлов переходной группы (никель, молибден, железо) [4].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой композиции низкотемпературного твердого топлива является состав [5], содержащий следующие компоненты, мас.%:
Нитрат аммония
80.7
Каучук марки СКДМ-80
19.3
Отверждающий агент
0.2 сверх 100%.
В данном составе в качестве отверждающего агента используется ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтилбензол (ТОН-2), позволяющий отверждать топливную композицию при комнатной температуре (20÷35)°С, а также предотвращать полиморфные переходы нитрата аммония [6, 7].
Известные композиции твердых топлив на основе нитрата аммония требуют высокой температуры для обеспечения устойчивого зажигания, характеризуются большими временами задержки зажигания, низким уровнем скорости горения и повышенным содержанием твердых веществ (в основном, сажи) в продуктах сгорания. Это ограничивает их области применения в ряде конкретных конструкций твердотопливных газогенераторов.
Техническим результатом настоящего изобретения является улучшение характеристик зажигания и горения низкотемпературного твердого топлива на основе нитрата аммония.
Технический результат изобретения достигается тем, что разработан состав низкотемпературного твердого топлива, содержащего нитрат аммония, полимерное горючее-связующее (каучук марки СКДМ-80) и ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтилбензол в качестве отверждающего агента, отличающийся тем, что топливо дополнительно содержит динитрофеноксиэтанол при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Нитрат аммония
80.7
Каучук марки СКДМ-80
19.3
Динитрофеноксиэтанол
(1.0÷1.5) сверх 100%
Отверждающий агент
0.2 сверх 100%.
Полученный положительный эффект улучшения характеристик зажигания и горения низкотемпературного твердого топлива за счет введения в его состав (1.0÷1.5) мас.% динитрофеноксиэтанола (ДНФЭ) связан с тем, что ДНФЭ является катализатором скорости горения топлива. При этом с увеличением скорости горения повышается полнота сгорания и, соответственно, снижается содержание конденсированных продуктов (сажи) в продуктах сгорания. Увеличение скорости химических реакций в присутствии катализатора ДНФЭ улучшает и характеристики зажигания твердого топлива - снижает время задержки зажигания и температуру устойчивого зажигания.
ДНФЭ представляет собой твердое кристаллическое вещество белого цвета, химическая формула которого имеет следующий вид:
6
5
2
3
2
2
CHOCH(NO).
Одним из возможных механизмов влияния ДНФЭ на процессы зажигания и горения твердого топлива является выделение окислов азота при термическом разложении ДНФЭ, которые, в свою очередь, являются активными катализаторами распада нитрата аммония и способствуют окислению органического горючего-связующего [8].
Пример реализации заявляемого изобретения заключается в изготовлении топливной смеси путем механического перемешивания в смесителе типа «Бэкон» следующих ингредиентов:
Нитрат аммония
80.7 г
Каучук марки СКДМ-80
19.3 г
ТОН-2
0.2 г
ДНФЭ
(0÷2.0) г.
Содержание ДНФЭ варьировали в следующих количествах: 0; 0.5 г; 1.0 г; 1.5 г; 2.0 г. При отсутствии в составе смеси ДНФЭ получали топливо, выбранное в качестве прототипа.
Из полученной топливной массы формовали методом проходного прессования цилиндрические образцы диаметром 10 мм и высотой (5÷40) мм.
Эффективность заявляемой композиции низкотемпературного твердого топлива определяли проведением сравнительных экспериментов по зажиганию и горению топлива - прототипа (не содержащего ДНФЭ) и топлив с добавками (0.5÷2.0) г этого катализатора.
Время задержки зажигания и температуру устойчивого зажигания определяли в условиях кондуктивного нагрева образцов на нагретой до заданной температуры стальной пластине при атмосферном давлении на открытом воздухе. Скорость горения образцов определяли в приборе постоянного давления в атмосфере азота при давлении 2.5 МПа известным методом сгорающих проволочек. Содержание твердых (конденсированных) веществ в продуктах сгорания определяли путем взвешивания кварцевого отборника, размещенного в приборе постоянного давления, до и после сжигания образца топлива.
В табл.1 приведены времена задержки зажигания в зависимости от температуры пластины для составов с разным содержанием ДНФЭ.
Таблица 1
Содержание ДФНЭ, мас.%
0 (прототип)
0.5
1.0
1.5
2.0
T, K
t, с
T, K
t, c
T, K
t, с
T,K
t, c
T, K
t, с
705
27.2
714
19.3
665
22.6
652
20.6
660
19.8
712
21.4
717
12.0
670
15.2
670
14.8
670
15.0
720
17.5
725
8.2
672
2.6
672
2.2
672
2.2
732
9.3
731
2.5
674
1.3
675
0.9
674
1.3
Нижний температурный предел зажигания топлива-прототипа (не содержащего ДНФЭ) составляет 700 К. Введение в состав топлива ДНФЭ снижает этот предел до ~650 К.
Значения температуры зажигания топлив с разным содержанием ДНФЭ при фиксированных временах задержки зажигания (5 с; 10 с; 15 с) приведены в табл.2.
Приведенные в табл.2 результаты показывают, что наиболее эффективно температура зажигания заявляемого состава низкотемпературного твердого топлива снижается при введении (1.0÷1.5) мас.% сверх 100% динитрофеноксиэтанола. Дальнейшее увеличение содержания ДНФЭ в составе топлива до 2 мас.% не приводит к снижению времени задержки зажигания данной композиции.
Таблица 2
t, c
Содержание ДФНЭ, мас.%
0 (прототип)
0.5
1.0
1.5
2.0
Температура зажигания, К (при фиксированном времени задержки зажигания)
5
743
728
672
671
671
10
730
721
670
668
668
15
723
716
668
665
665
Результаты измерения скорости горения образцов в зависимости от содержания ДНФЭ в топливе приведены в табл.3.
Таблица 3
Содержание ДНФЭ, мас.%
0
1.0
1.5
Скорость горения, мм/с
0.38±0.03
0.58±0.02
0.60±0.03
Результаты измерения содержания твердых веществ в продуктах сгорания при давлении 2.5 МПа в зависимости от содержания ДНФЭ в топливе приведены в табл.4.
Таблица 4
Содержание ДНФЭ, мас.%
0
1.0
1.5
Содержание твердых продуктов сгорания, мас.%
4.2±0.2
2.6±0.2
2.4±0.2
Таким образом, введение (1.0÷1.5) мас.% ДНФЭ в состав топливной композиции приводит к снижению нижнего предела температуры зажигания на ~50 градусов, к снижению времени задержки зажигания в (1.1÷1.3) раз, к повышению скорости горения (при давлении 2.5 МПа) в (1.5÷1.6) раз и уменьшению содержания твердых веществ в продуктах сгорания при этом давлении в (1.6÷1.7) раз.
Экспериментально показано, что дальнейшее повышение ДНФЭ сверх 1.5 мас.% нецелесообразно, поскольку не влияет на улучшение характеристик зажигания и горения заявляемой топливной композиции.
Литература
1. Arkhipov V., Vorozhtsov A., Bondarchuk S., et al. Ballistic Characteristics of Solid Propellants Containing Dual Oxidizer // European Conference for Aerospace Sciences (EUCASS). Moscow, 2005. - pp.1-8.
2. Энергетические конденсированные системы. Краткий энциклопедический словарь / Под ред. Б.П.Жукова. - М.: Янус-К, 2000. - 596 с.
3. 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.
4. Михайлов Ю.М., Алешин В.В., Ганина Л.В., Самороковская Н.Ю. Влияние катализаторов на скорость горения энергетических композитов на основе нитрата аммония // Материалы III Всероссийской конференции "Энергетические конденсированные системы". Черноголовка-Москва, 2006 - С.183-184.
5. Попок В.Н. Изучение горения топливных композиций на основе нитрата аммония // Материалы Международной школы-конференции молодых ученых. "Физика и химия наноматериалов". Томск, 2005. - С.437-439.
6. Белоусов A.M., Пазников Е.А., Орлова Н.А. Влияние соотношения функциональных групп полимера и отвердителя на качественные и временные параметры реакции формирования пространственной сетки полимера // International Scientific Conference "Chemistry, Engeneering and Biotechnology", Tomsk, Russia, C.196-197.
7. Ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтилбензол. ТУ 2471-307-05121441-98, СКТБ "Технолог" г.Санкт-Петербург.
8. Глазкова А.П. Катализ горения взрывчатых веществ. - М.: Наука, 1976.