КОМПОЗИЦИЯ ПАСТООБРАЗНОГО РАКЕТНОГО ГОРЮЧЕГО ДЛЯ ПРЯМОТОЧНЫХ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С КАМЕРОЙ ДОЖИГАНИЯ
COMPOSITION OF PASTE-LIKE ROCKET FUEL FOR RAMJET ENGINES WITH AFTERBURNER CHAMBER

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к области получения пастообразных горючих для прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД) с камерой дожигания.
Объемная теплота сгорания известных жидких ракетных горючих, используемых в прямоточных воздушно-реактивных двигателях (ПВРД) и жидкостных ракетных двигателях (ЖРД), не превышает 9500 ккал/кг.Для повышения энергоемкости в жидкое горючее вводят компоненты с более высокой объемной теплотой сгорания, например мелкодисперсные порошки металлов таких, как алюминий, бор, титан, их сплавы и др. Для предотвращения седиментации частиц порошка металлов горючее загущают, т.е. переводят в гелеобразное или пастообразное состояние при сохранении его тиксотропных свойств. Такое горючее, подобно жидким, можно передавливать по трубам, распылять через форсунки, а также можно заправлять ракеты на старте и сравнительно просто регулировать модуль тяги. Кроме того, использование пастообразного горючего позволяет снизить потери на испарение и повысить пожаробезопасность.
2
4
Известно гелеобразное ракетное монотопливо, полученное диспергированием алюминия с размером частиц до 0,15 мкм в жидком окислителе - тетраоксиде азота (NO). Это топливо имеет удельный импульс близкий к 400 с (патент РФ №2309140, МПК С06В 47/04, C06D 5/10, 2007).
К недостаткам данного ракетного монотоплива относится высокая токсичность и химическая агрессивность окислителя - тетраоксида азота.
Гелеобразные горючие, содержащие 36-40% монометилгидразина в качестве жидкой фазы, до 60% порошка различных энергоемких металлов и их гидридов с размером частиц порошка металлов 6-10 мкм и от 1 до 3% гелеобразователя, в качестве которого применяют диметилмочевину или диоксид кремния, описаны в патентах США №4039360, МПК С06В 47/08, 1977; США №5438824, МПК F02K 9/00, 1995; США №5597947, МПК C10L 7/00, 1997. Седиментация металлов не происходит даже при нагрузке в несколько сотен g.
К недостаткам известных пастообразных горючих можно отнести большой размер диспергированных в горючих частиц порошков различных энергоемких металлов и их гидридов, что приводит к уменьшению скорости горения и неполному сгоранию.
В патенте США №4090895, МПК С06В 43/00, 1978 г. описывается пастообразное (суспензионное) горючее, в котором в качестве жидкой фазы используют низшие спирты с числом атомов углерода от 1 до 3. В качестве высокоэнергетического компонента применяют тонкодисперсные порошки бора, алюминия, боридов алюминия, титана, циркония с размером частиц 0,1-10 мкм, гелеобразователем служит гидроксипропилцеллюлоза.
В примерах, приведенных в патенте, гелеобразные композиции содержат только аморфный бор, сферический алюминий, цирконий и борид циркония с размером частиц 1-10 мкм. Полученные композиции гелеобразного горючего отличаются термостабильностью, устойчивы при хранении и действием силы тяжести до 100 g.
3
5
Известные композиции предназначены для использования в жидкостном реактивном двигателе, в котором в качестве окислителя предложены фториды хлора FCl и FCl. Соотношение окислитель: горючее составляет 6:1. Композиции являются гипергольными. Необходимость большого количества окислителя в топливных баках ЖРД не дает никакого преимущества по сравнению с ПВРД, где в качестве окислителя используется атмосферный воздух. Кроме того, предложенные окислители являются весьма агрессивными и токсичными.
Для использования в ПВРД с камерой дожигания предложено твердое горючее (пат. США №6736912, МПК С06В 45/10, 2004), содержащее органическую матрицу, в которой диспергированы частицы металлов и частицы фторсодержащего окислителя, способного реагировать с частицами металлов с образованием субфторидов. Причем композиция содержит окислитель в количестве, достаточном для поддержания горения, но недостаточном для полного окисления горючих компонентов. Продукты неполного сгорания эжектируются в камеру дожигания, в которую вводится подогретый воздух для полного сгорания органической части и металлов.
К недостаткам композиции, предложенной в пат. США №6736912, принятом нами за прототип, можно отнести сравнительно невысокую теплоту сгорания, невысокую скорость сгорания композиции в первой камере сгорания, что затрудняет получение сверхзвуковых скоростей полета.
Об использовании в ПВРД с камерой дожигания пастообразных горючих нами сведений в патентной литературе не обнаружено.
Следует отметить, что в известных композициях гелеобразньгх горючих в качестве энергоемких компонентов заявлена широкая гамма различных металлов: Al, Sb, Be, В, Са, Со, Cu, Au, Fe, Mg, Zr и других, а также их сплавов, полученных электровзрывом электропроводящей проволоки, при этом указывается, что размер частиц не превышает 1 мкм. Однако этим методом нельзя получить порошки металлов, обладающих наиболее высокой теплотой сгорания, например бора, боридов алюминия, кремния, так как из них нельзя изготовить электропроводящую проволоку.
Задачей данного изобретения является получение композиции пастообразного ракетного горючего, обладающей высокой скоростью сгорания, высокой теплотой и полнотой сгорания, применяющейся в прямоточных воздушно-реактивных двигателях с камерой дожигания.
10
16
Для решения поставленной задачи предложена композиция пастообразного ракетного горючего для прямоточных воздушно-реактивных двигателей с камерой дожигания, содержащая нанодисперсные порошки металлов, отличающаяся тем, что в качестве нанодисперсных порошков применяют порошок бора или смесь порошков боридов алюминия с содержанием 34-62% алюминия, при этом средний размер частиц порошков составляет 60-350 нм, полученные методом переконденсации в плазменном электродуговом реакторе, причем в качестве дисперсионной фазы используют растворитель децилин общей формулы CH, загущенный полиэтиленом в количестве 2-10%, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Децилин
30-40
Полиэтилен
2,5-10
Нанодисперсный порошок
бора или смесь боридов
алюминия, содержащая
34-62% Al
15-35
Перхлорат аммония
15-35
Высокая теплота сгорания композиции и высокая скорость горения композиции обеспечиваются введением в нее нанодисперсных порошков бора и боридов алюминия, полученных методом переконденсации в плазменном электродуговом реакторе, позволяющим получать нанодисперсные порошки элементов, которые не являются электропроводящими или из которых нельзя изготовить проволоку.
10
16
В качестве жидкой фазы выбран растворитель децилин общей формулы CH, обладающий высокой плотностью и высокой объемной теплотой сгорания. Для загущения углеводорода используют полиэтилен в количестве 2,5-10%. В композицию вводят перхлорат аммония в количестве, достаточном для поддержания горения, но недостаточном для полного сгорания горючих компонентов. При горении за счет взаимодействия нанодисперсных металлов с перхлоратом аммония происходит газификация и пиролиз углеводородной части, и продукты сгорания, обогащенные горючим, а также несгоревшее пастообразное горючее, обладающее тиксотропными свойствами, поступают в камеру дожигания, где они смешиваются с воздухом, поступающим из атмосферы при полете ракеты. В камере дожигания происходит полное сгорание горючего.
Пример.
Гранулы полиэтилена растворяют в децилине при нагревании и перемешивании. Полученный раствор переносят в двухшнековый смеситель типа Вернера-Пфлейдерера и при перемешивании вносят нанодисперсный порошок металла, затем добавляют перхлорат аммония. После чего для гомогенизации смесь перемешивают 1,5 часа при комнатной температуре.
По описанному методу были получены все пастообразные горючие. Горючие отличаются термостойкостью, стабильностью при хранении, расслаивания не происходит при ускорении до 100 g.
0
Состав, некоторые физико-химические свойства и скорости сгорания композиций приведены в таблицах 1-4, в которых использованы следующие обозначения: АСД-4 порошок сферического алюминия с частицами микронного размера, н-Al - порошок наноразмерного алюминия со средним размером частиц 150 - 200 нм, н-В - порошок наноразмерного бора со средним размером частиц 90-120 нм, БА - смесь наноразмерных порошков боридов алюминия со средним размером частиц 120-150 нм, Вам - порошок бора аморфного, цифры при БА означают содержание алюминия в смеси боридов алюминия, ПХА - перхлорат аммония, ТП - децилин, загущенный полиэтиленом, L - количество воздуха, необходимое для дожигания композиции горючего.
Таблица 1
Влияние металла на скорость горения композиции, содержащей: 50% ТП, 30% ПХА и 20% металла
Композиция
Металл (средний размер частиц)
Плотность композиции, г/см<sup>3</sup>
Теплота сгорания, ккал/л
Скорость сгорания, мм/с
L<sub>0</sub>, кг/кг
П-8
АСД-4 (5-10 мкм)
1,30
8590
1,1
7,4
П-9
н-Al (200 нм)
1,30
8590
1,2
7,4
П-4
БА-52 (110)
1,30
9380
4,0
7,95
Скорость горения композиции П-4, содержащей борид алюминия, в три с лишним раза выше скорости горения композиций, содержащих микронный и наноразмерный порошки алюминия. Кроме того, эта композиция превосходит композиции П-8 и П-9 по теплоте сгорания и количеству необходимого для полного сгорания воздуха.
Таблица 2
Влияние металла на скорость горения композиции, содержащей: 50% ТП, 20% ПХА и 30% металла
Композиция
Металл (средний размер частиц)
Плотность композиции, г/см<sup>3</sup>
Теплота сгорания, ккал/л
Скорость сгорания, мм/с
L<sub>0</sub>, кг/кг
П-21
АСД-4 (5-10 мкм)
1,33
9730
1,0
7,9
П-20
н-Al (200 нм)
1,33
9730
3,2
7,9
П-12
В ам (5-7 мкм)
1,30
12060
2,8
9,69
П-13-1
н-В (90 нм)
1,30
12060
7,5
9,69
П-13-2
н-В (120 нм)
1,30
12060
7,4
9,69
П-14
н-Al/B ам 50/50
1,31
10790
3,0
8,8
П-15
н-Al/н-В 50/50
1,31
10790
3,4
8,8
П-5
БА-52 (110 нм)
1,31
10780
6,2
8,72
В этой серии композиции с наноразмерными бором и боридом алюминия также имеют более высокую скорость горения, чем композиции с их микронными аналогами или даже с механическими смесями нано-алюминия и нано-бора.
Как следует из табл.3, на скорость горения влияет и массовое соотношение между окислителем и металлом, наиболее предпочтительным является соотношение окислителя к металлу, равное 20/30-25/25.
Таблица 3
Влияние соотношения ПХА и БА-52 в композиции на скорость ее горения. Содержание ТП в композиции 50%.
Композиция
Содержание, %
Плотность композиции, г/см<sup>3</sup>
Теплота сгорания, ккал/л
Скорость сгорания, мм/с
L<sub>0</sub>, кг/кг
ПХА
БА-52
П-7
15
35
1,32
11530
4,4
10,07
П-5
20
30
1,31
10780
6,2
8,72
П-2
25
25
1,30
10035
5,3
8,52
П-4
30
20
1,30
9380
4,0
7,95
П-6
35
15
1,28
8590
1,9
7,15
В то же время соотношение между алюминием и бором в бориде алюминия в композициях с БА-34 до БА-62 не оказывает существенного влияния на скорость горения (табл.4). Однако дальнейшее увеличение или снижение содержания алюминия приводит к уменьшению скорости горения. Поэтому предпочтительно использовать бориды алюминия с содержанием алюминия от 34 до 62%.
Таблица 4
Влияние содержания алюминия в смеси боридов алюминия на скорость горения композиции, содержащей 50% ТП, 25% ПХА, 25% БА
Композиция
Количество алюминия в БА, %
Скорость сгорания, мм/с
П-БА-65
65
4,9
П-БА-62
62
5,2
П-БА-52
52
5,5
П-БА-43
43
5,7
П-БА-34
34
5,8
П-БА-30
30
5,1
На технологию изготовления пастообразного горючего и на его седиментационную устойчивость влияет также загущенность децилина полиэтиленом. В таблице 5 приведены скорости горения паст с разным соотношением децилина и полиэтилена.
0
Из приведенных данных в таблицах 1-5 следует, что по сравнению с обычно используемыми в ракетных топливах порошками алюминия АСД-4 и широко исследуемого в настоящее время наноалюминия нанодисперсные порошки боридов алюминия и нанобора более эффективны по скорости горения, они имеют высокую теплоту сгорания при сравнительно большом значении L.