УНИТАРНОЕ ТОПЛИВО
UNITARY FUEL

Настоящее изобретение относится к унитарному высокоэнергетическому топливу, предназначенному для ракетных двигателей, а также может использоваться для горелок, применяемых в различных технологических процессах, связанных с добычей вязких и загрязненной песком нефти, с проходкой скальных пород, с образованием в них отверстий, шурфов и т.д.
Известно унитарное топливо (патент США №3523839 от 1970 г.), состоящее из твердого окислителя, заключенного в капсулы из легкого металла, с атомным весом не выше 27 и плотного, устойчивого к растворителям полимера. Капсулы служат горючим в этом топливе и одновременно предотвращают взаимодействие топлива с окислителем. В качестве твердого окислителя предполагается перхлорат аммония, перхлорат лития или перхлорат нитрония. Рассмотренный прототип унитарного топлива предназначен для использования в твердотопливных двигателях и требует повышенных мер предосторожности при хранении. Недостатками данного унитарного топлива являются невысокая скорость истечения струи, сложности с его хранением и необходимость термостатирования перед использованием.
Наиболее близким к заявленному унитарному топливу является топливо (патент RU 2128684, C10L 1/00, C10L 3/00, C10L 7/00, опубл. 15.10.1996 г.), состоящее из жидкого кислорода с газообразным, жидким или гелеобразным горючим, заключенным в капсулы из твердого полимерного материала. В топливе, рассмотренном в качестве аналога, жидкий окислитель и капсулы с горючим хранятся отдельно и соединяются вместе в баковой системе перед его применением. Это упрощает хранение топлива и делает его безопасным при хранении. Использование жидких окислителей в унитарном топливе позволяет применить его в горелках и в двигателях, существенно поднять скорость истечения струи. Недостатками данного унитарного топлива является использование в капсулах горючего химических элементов (водорода и др.) в газообразном состоянии при высоких давлениях, а также в жидком и гелеобразном виде. Упомянутое унитарное топливо из-за повышенной опасности при его применении препятствует получению заявленного результата.
Технический результат заключается в повышении безопасности при использовании, увеличении плотности и энергетических характеристик топлива, а также повышении технологичности получения топлива.
Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в унитарном топливе, состоящем из жидкого окислителя и горючих веществ, заключенных в гранулы с оболочкой из твердого полимерного материала, согласно изобретению гранулы горючего содержат полимерные материалы в смеси с гидридами металлов или углеродом в различных модификациях.
Использование твердых гранул горючего повышает безопасность при работе, кроме того, отсутствие жидкой или газообразной фазы в грануле повышает технологичность получения топлива. Применение энергоемких составляющих в гранулах горючего, таких как гидрид алюминия, снижает объем емкости хранения топлива (и соответственно массы на 20÷25%) за счет увеличения плотности унитарного топлива и увеличивает энергетические характеристики.
Примеры реализации изобретения
1. Унитарное топливо, состоящее из водного раствора аммиачной селитры (окислитель) с гранулами из смеси полиэтилена или полипропилена с графитом в качестве горючего, предназначено для использования в горелках для разогрева высоковязкой нефти и битумных песков. Горелки, размещенные в скважинах месторождений высоковязкой нефти и природных битумов, разогревают нефть до состояния текучести и позволяют осуществлять ее добычу. Данное унитарное топливо существенно повышает безопасность и эффективность парогазового способа добычи высоковязкой нефти.
2. Унитарное топливо, состоящее из водного раствора аммиачной селитры и гранул из полиэтилена с гидридом алюминия. Обладая высокой энергией и скоростью истечения продуктов сгорания с частицами окиси алюминия, это топливо может использоваться в высокотемпературных горелках для обработки металлов, бетонов и скальных пород.
3
3
3. Унитарное топливо находится в одном баке и состоит из жидкого кислорода (Т=55…91 K) и размещенных в нем равномерно по всему объему гранул из смеси полиэтилена и гидрида алюминия. Плотность жидкого кислорода 1140 кг/м. Диаметр гранул от 10 до 500 микрон. Весовая доля гидрида алюминия в грануле, состоящей из гидрида алюминия и полиэтилена, составляет порядка 30%. Плотность гранул равна плотности жидкого кислорода 1,14 т/м. В унитарном топливе гранулы находятся во взвешенном состоянии. Массовое отношение кислорода к горючему в данном унитарном топливе доходит до 0,8. Использование этого унитарного топлива позволяет получать скорость истечения в пустоту до 4570 м/с. Многопараметрические массовые термодинамические расчеты эффективности унитарного топлива производились с использованием известного программного обеспечения «Astra», разработанного в МГТУ им. Н.Э.Баумана. Результаты, приведены в следующей таблице :
Результаты термодинамических расчетов
Массовый состав
Массовое отношение окислителя O<sub>2</sub> к горючему
0,795
0,818
1,000
1,222
1,5
O<sub>2</sub>
0,443
0,45
0,5
0,55
0,6
AlH<sub>3</sub>
0,428
0,423
0,385
0,346
0,308
(CH<sub>2</sub>)<sub>n</sub>
0,129
0,127
0,115
0,104
0,092
Параметры, по которым происходит сравнение
Скорость истечения, м/с
4427
4570
4252
4201
4043
Температура горения T, K
3875
3935
4252
4447
4547
3
3
Из таблицы видно, что в зависимости от соотношения компонентов в грануле и соотношения между кислородом и горючим (гранулами) возможно получить скорость истечения продуктов сгорания 4570 м/с. Применение в гранулах гидрида алюминия позволяет получить скорость истечения на уровне топлива кислород-водород, но при плотности не 360 кг/м, а 1140 кг/м, что дает возможность более чем в три раза уменьшить объем топливных баков.
Использование предлагаемого унитарного топлива с более высокой плотностью позволяет существенно сократить объемы емкостей для хранения и транспортировки топлива, а также перейти к однобаковой системе хранения топлива.
Важно, что топлива с гидридом алюминия, струи которого обладают высокой температурой, скоростью и сильным абразивным действием, могут найти применение во многих технологических процессах, связанных с проходкой скальных пород, с образованием в них отверстий, шурфов и т.д.