Нанокомпозитное твердое горючее для прямоточного воздушно-реактивного двигателя
NANOCOMPOSITE SOLID FUEL FOR RAMJET

Изобретение относится к твердым горючим для прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД) с дозвуковой и сверхзвуковой скоростью газов в камере сгорания.
Твердые топлива, содержащие в своем составе как горючее, так и окислитель, представляют особый интерес для ПВРД высокоскоростных реактивных систем, поскольку могут иметь существенно более высокую плотность по сравнению с традиционными компонентами топлива, такими как керосин или его производные. Кроме того, реактивные системы на твердых топливах более просты в эксплуатации, более долговечны, как правило, готовы к немедленному использованию и характеризуются более высокой пожаровзрывобезопасностью. При этом твердые горючие на основе ультрадисперсных порошков металлов более стабильны и нечувствительны к детонации по сравнению с другими видами твердых топлив.
Известно твердое топливо для прямоточного воздушно-реактивного двигателя, в котором горючее представляет собой полимерную матрицу из полиолефина с включенным в нее дисперсным металлическим порошком (патент США №6736912). Известное топливо содержит в качестве окислителя кристаллический фторированный углерод, а в состав топлива также входит полимерное связующее - полибутадиены с концевыми карбоксильными группами и полистирол.
Основным недостатком этого топлива для ПВРД является относительно низкая величина теплоты сгорания в расчете на единицу массы топлива и обусловленная этим невысокая величина удельного импульса.
В патенте РФ №2288207 описана композиция твердого горючего, предназначенная для сжигания в до-, сверх- или гиперзвуковом воздушном потоке ПВРД, содержащая полимерную матрицу из полеолефинов (содержание - не менее 36% по массе), ультрадисперсного порошка металлов, в частности алюминия, и карборана. Высокая плотность, а также значительная теплота сгорания указанного твердого горючего достигается, в том числе, за счет высокого содержания металлического порошка (до 50% по массе).
Однако при таком содержании дисперсного металлического порошка резко возрастает время, необходимое для полного сгорания топлива, так как горение микродисперсных частиц - процесс существенно более медленный по сравнению с чисто газофазным горением. Ввиду этого объем камеры сгорания ПВРД, необходимый для обеспечения приемлемой полноты сгорания, может оказаться слишком велик, особенно если скорость газов в ней сверхзвуковая.
Известно твердое топливо для прямоточного воздушно-реактивного двигателя, в котором горючее представляет собой полимерную матрицу из полиолефина с включенным в нее нанодисперсным порошком алюминия (патент РФ №2580735). Известная твердотопливная композиция содержит в качестве окислителя нитрат аммония, а в качестве металлического горючего - смесь в равных долях микродисперсного и нанодисперсного порошков алюминия с размером частиц более 0,1 мкм. Общее содержание металлического горючего в известной твердотопливной композиции не превышает 22%.
Основным недостатком известного твердого горючего является использование в его составе оксидированных порошков алюминия, в которых поверхности металлических частиц покрыты оболочкой из тугоплавкого оксида алюминия, температура плавления которого более чем в 2 раза превышает температуру плавления свободного неоксидированного алюминия. Для разрушения оболочки при горении твердого горючего требуется дополнительное тепло и время.
Поэтому процесс сгорания известного топлива характеризуется недостаточно высокой скоростью и полнотой сгорания горючего, а также значительным временем задержки его воспламенения, и, как следствие, при использовании этого горючего в прямоточных воздушно-реактивных двигателях требует существенного увеличения размеров камеры сгорания.
Техническая проблема заключается в создании для ПВРД с компактной камерой сгорания твердого горючего, обладающего высокой скоростью и полнотой сгорания, как в дозвуковых, так и в сверхзвуковых воздушных потоках.
Техническим результатом изобретения является увеличение скорости и полноты сгорания твердого топлива, что обеспечивает возможность проектирования компактной камеры сгорания для высокоскоростного ПВРД.
Технический результат изобретения достигается тем, что в твердом горючем для прямоточного воздушно-реактивного двигателя, содержащем полимерную матрицу из полиолефина с включенным в нее нанодисперсным порошком алюминия, в качестве нанодисперсного порошка алюминия используют неоксидированные наночастицы алюминия, размер которых не превышает 20 нанометров, при соотношении компонентов, мас.%:
неоксидированные наночастицы алюминия
52-60
полимер матрицы
40-48
Для полимерной матрицы может быть использован атактический (аморфный) полистирол, полиэтилен высокого давления, поли-альфа-метилстирол или 1,4-цис-полибутадиен.
Технический результат при использовании изобретения достигается за счет того, что повышенное содержание в твердом горючем металлического алюминия (более 50%) в виде неоксидированных наночастиц диаметром не более 20 нм позволяет повысить плотность твердого горючего, а также осуществить дисперсионное горение алюминия в воздушном потоке, чем обеспечивается высокая скорость и полнота сгорания горючего в дозвуковых и сверхзвуковых воздушных потоках.
Использование атактического полистирола обеспечивает более равномерное распределение наночастиц алюминия в объеме полимерной матрицы за счет меньшей вязкости при перемешивании, что приводит к повышению скорости горения предложенного твердого топлива. Аналогичный результат обеспечивает использование полиэтилена высокого давления, поли-альфа-метилстирола и 1,4-цис-полибутадиен.
Сущность изобретения поясняется с использованием конкретных примеров его реализации и проиллюстрирована графиком зависимости времени горения микрочастиц оксидированного алюминия и наночастиц неоксидированного алюминия от температуры.
6
Особенностью дисперсионного горения наночастиц алюминия является, как известно, их механическое разрушение с образованием отдельных алюминиевых кластеров диаметром в несколько нанометров. Известно, что дисперсионный механизм горения реализуется только при достаточно высоких значениях скорости нагрева наночастиц алюминия - не менее 10 К/с (см. например, Ohkura Y., Rao P.М. and Zheng X. // Combustion and Flame. - 2011. - Iss. 158. - P. 2544-2548 или Levitas V.I., Dikici B. and Pantoya M.L. // Combustion and Flame. - 2011. - Iss. 158. - P. 1413).
15
При горении предложенного нанокомпозитного твердого горючего необходимая скорость нагрева наночастиц алюминия, выброшенных в воздушный поток при газификации связующего, обеспечивается за счет химических реакций, протекающих на поверхности частиц при их контакте с кислородом воздуха. Как показали расчеты, для наночастиц неоксидированного алюминия диаметром менее 20 нм скорость нагрева достигает 10 К/сек, что существенно превосходит значения скорости нагрева, при которых становится возможным дисперсионное горение (Timothy Campbell et. al. // PHYSICAL REVIEW LETTERS. - 1999. V. 82 - P. 4856-4869).
Учитывая, что кластеры алюминия, образующиеся в результате механического разрушения при интенсивном нагреве исходных наночастиц, являются фактически очень большими молекулами, характер горения продуктов такой термической газификации нанокомпозитного твердого горючего в смеси с воздухом близок к чисто газофазному. В частности, за счет термической активации газофазных химических реакций происходит существенное ускорение процесса горения с повышением температуры.
Расчеты авторов, результаты которых приведены на графике, показывают, что время горения стехиометрической кластер воздушной смеси, содержащей кластеры алюминия диаметром около 2 нм в интервале температур 1100-2100 К, уменьшается более чем на четыре порядка, что характерно именно для газофазных реагирующих смесей. Расчеты проведены для двух уровней давления: 0,1 МПа (сплошные линии) и 1 МПа (штриховые линии). В расчете учитывалось только испарение кластеров, так как данных о константах скоростей реакций окисления непосредственно кластеров в литературе нет.
На упомянутом выше графике приведены результаты расчета, выполненного авторами, времени горения одиночной микрочастицы оксидированного алюминия в воздухе с помощью корреляционной формулы Бекстеда (см. Бекстед М.В. // Физика горения и взрыва. - 2005. - Т. 41. - №5. - с. 55-69) при давлении 0,1 МПа (сплошные линии) и 1,0 МПа (штриховые линии). Диаметр частиц - 5, 10 и 20 мкм приближенно соответствует размерам промышленных порошков АСД-6, АСД-4 и АСД-1.
Как видно из представленных результатов, при температурах выше 1200-1300 К, время горения кластер-воздушной смеси заметно меньше, по сравнению со временем парофазного горения микрочастиц. Причем, если время горения кластер-воздушной смеси резко падает с ростом температуры, то время горения отдельных частиц почти не зависит от температуры.
Представленные результаты позволяют сделать оценку области целесообразного применения предлагаемого горючего. В первую очередь, это сверхзвуковые и гиперзвуковые ПВРД безгазогенераторной схемы, рассчитанные на высокую скорость полета.
Технология изготовления горючего состоит из следующих этапов:
1 этап - получение неоксидированных наночастиц алюминия в разбавителе;
2 этап - смешение разбавителя с наночастицами алюминия и жидкого преполимера матрицы, образование их эмульсии;
3 этап - струйное распыление эмульсии в инертной газовой среде, в процессе которой происходит испарение летучих углеводородов разбавителя и осаждение жидкого преполимера с неоксидированными наночастицами алюминия;
4 этап - полимеризация преполимера с внедренными в него неоксидированными наночастицами алюминия.
Наиболее важным для раскрытия существа изобретения является первый этап - этап плазменного разложения производимых промышленностью комплексных органоалюминиевых соединений в бескислородной среде, который описан более подробно. Для получения неоксидированных наночастиц алюминия сначала испаряют органоалюминиевое соединение и смешивают его с аргоном, затем газовую смесь пропускают через разрядную ячейку с разрядом. Образующуюся плазменную струю охлаждают распылением из микрофорсунок жидкого разбавителя (толуол, бензол), в процессе охлаждения плазмы образуются неоксидированные наночастицы алюминия в жидком разбавителе.
Остальные этапы получения твердого горючего практически не отличаются от аналогичных этапов известных способов получения твердого горючего.
Ниже приведены примеры композиций твердого нанокомпозитного горючего.
Пример 1:
3
3
0
V
Связующее: аморфный полистирол (40% по массе). Наполнитель: неоксидированный наноалюминий (60% по массе). Плотность ρ=1657 кг/м. Стехиометрический коэффициент L=7,5 кг возд./кг гор. Теплота сгорания в расчете на ед. объема H=57251 МДж/м.
Пример 2:
3
3
0
V
Связующее: аморфный полистирол (48% по массе). Наполнитель: неоксидированный наноалюминий (52% по массе). Плотность ρ=1539 кг/м. Стехиометрический коэффициент L=8,26 кг возд/кг гор. Теплота сгорания в расчете на ед. объема H=54226 МДж/м.
Пример 3:
3
3
0
V
Связующее: 1,4-цис-полибутадиен (48% по массе). Наполнитель: неоксидированный наноалюминий (52% по массе). Плотность ρ=1372 кг/м. Стехиометрический коэффициент L=8,83 кг возд/кг гор. Теплота сгорания в расчете на ед. объема H=50171 МДж/м.
Пример 4:
3
3
0
V
Связующее: 1,4-цис-полибутадиен (40% по массе). Наполнитель: неоксидированный наноалюминий (60% по массе). Плотность ρ=1522 кг/м. Стехиометрический коэффициент L=7,8 кг возд./кг гор. Теплота сгорания в расчете на ед. объема H=53967 МДж/м.
Пример 5:
3
3
0
V
Связующее: полиэтилен (40% по массе). Наполнитель: неоксидированный наноалюминий (60% по массе). Плотность ρ=1524 кг/м. Стехиометрический коэффициент L=8,1 кг возд./кг гор. Теплота сгорания в расчете на ед. объема H=54786 МДж/м.
Пример 6:
3
3
0
V
Связующее: поли-альфа-метилстирол (40% по массе). Наполнитель: неоксидированный наноалюминий (60% по массе). Плотность ρ=1677 кг/м. Стехиометрический коэффициент L=7,6 кг возд./кг гор. Теплота сгорания в расчете на ед. объема H=58400 МДж/м.
3
3
3
3
3
3
V
V
V
Приведенные выше композиции по своей плотности и объемной теплоте сгорания превосходят известные в качестве твердых горючих ПВРД высокоплотные тяжелые углеводороды, такие как Антрацен (ρ=1250 кг/м, H=49980 МДж/м), ДАМСТ (ρ=1078 кг/м, H=43328 МДж/м), Бинор (ρ=1120 кг/м, H=46198 МДж/м), соответствующие показатели которых известны (см. «Интегральные прямоточные воздушно-реактивные двигатели на твердых топливах» под редакцией Л.С. Яновского, М.:, 2006, стр. 145-154).
Применение композиций твердого нанокомпозитного горючего с неоксидированными наночастицами алюминия позволит существенно повысить скорость и полноту сгорания топлива в дозвуковых и сверхзвуковых воздушных потоках и будет способствовать сокращению длины камеры сгорания ПВРД в 1,5-2 раза в условиях крейсерского полета.