ТВЕРДОЕ ГОРЮЧЕЕ
SOLID FUEL

Изобретение относится к прикладной химии, а именно к твердым горючим (ТГ) для прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД) активно-реактивных снарядов (АРС).
Особенность твердых горючих для таких устройств заключается в том, что помимо высокого уровня энергетических характеристик (объемной и массовой удельных теплот сгорания) они должны обладать высоким уровнем прочности и низкой деформативностью, обеспечивающими целостность изготовленных из него газогенерирующих элементов (ГГЭ) в условиях больших перегрузок, действующих на АРС при выстреле из орудия и его работе.
Известен ряд ТГ для ПВРД: патент США №6736912, патент США №3986909, каждое из которых содержит органическое горючее-связующее и ультрадисперсный порошок высокоэнергетического металла.
Основным недостатком указанных аналогов являются относительно низкий уровень энергетических характеристик. Это ведет к низким величинам скорости и дальности полета активно-реактивных снарядов с использованием таких ТГ и в конечном итоге к отсутствию или низкой эффективности таких снарядов при поражении заданной цели.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является ТГ по патенту РФ №2288207 (опубл. 27.11.2006 г), принятое за прототип, содержащее органическое горючее-связующее, ультрадисперсный порошок высокоэнергетического металла и карборан или фенилкарборан.
Данное ТГ по сравнению с другими аналогами имеет преимущество: более высокий уровень энергетических характеристик. Однако оно имеет низкую прочность и высокую деформативность. При таких механических характеристиках ТГ в условиях указанных выше перегрузок АРС могут разрушаться изготовленные из твердого горючего ГГЭ, что приводит к аномальности работы ПВРД активно-реактивных снарядов или их разрыву.
Задачей предлагаемого изобретения является создание ТГ, обеспечивающего сохранение целостности изготовленных из него ГГЭ в условиях больших перегрузок АРС при выстреле из орудия и его работе путем улучшения механических характеристик ТГ при одновременном сохранении достоинств в части энергетических и других характеристик на уровне прототипа.
Поставленная задача решается предлагаемым твердым горючим, которое содержит органическое горючее-связующее, ультрадисперсный порошок высокоэнергетического металла, карборан и/или фенилкарборан. Особенность заключается в том, что в качестве горючего-связующего оно содержит смесь эпоксидной смолы, дибутилфталата, отвердителя и диаминдиолеата при следующем соотношении компонентов, мас. %:
эпоксидная смола
14-39
дибутилфталат
0,5-5
отвердитель
1,4-4
диаминдиолеат
0,1-0,7
карборан и/или фенилкарборан
0,1-20
ультрадисперсный порошок
высокоэнергетического металла
остальное
В частности, твердое горючее в качестве отвердителя содержит полиэтиленполиамин или триэтаноламин.
В частности, твердое горючее в качестве ультрадисперсного порошка высокоэнергетического металла содержит порошок бора, алюминия, магния, или высокодисперсный порошок лигатуры бора, или их смесь в любом сочетании.
В частности, ультрадисперсный порошок высокоэнергетического металла дополнительно содержит порошок циркония.
Эпоксидная смола в смеси с пластификатором - дибутилфталатом (ДБФ), отвердителем (полиэтиленполиамином или триэтаноламином) и поверхностно-активным веществом (ПАВ) - диаминдиолеатом (имеющим техническое название "катионат-7") в составе ТГ является горючим-связующим. Эти компоненты обеспечивают, в основном, уровень технологических и механических характеристик ТГ и в сравнительно меньшей мере определяют его энергетические характеристики. Карборан или фенилкарборан и ультрадисперсные порошки высокоэнергетических металлов: бора, алюминия, магния, лигатур бора, циркония и их смеси в основном обеспечивают уровень энергетических характеристик ТГ.
Технология приготовления заявляемого ТГ и изготовления из него ГГЭ использует применяемые в технике способы и оборудование. Она включает следующие основные операции: смешение смеси эпоксидной смолы, пластификатора, ПАВ и отвердителя, порционное последовательное введение в смесь ультрадисперсного порошка высокоэнергетического металла и карборана или фенилкарборана со смешением каждой порции вводимых порошков с предыдущей смесью, формование изделия из смешанной и отвакуумированной массы в технологическую оснастку или корпус АРС методом литья под небольшим давлением или методом свободного литья, отверждение изделия в технологической оснастке или корпусе при температуре не более температуры начала разложения состава ТГ и выпрессовку изделия из оснастки.
Оптимальные температура и время смешения массы и температурно-временные режимы отверждения зависят от качества компонентов, объема смешиваемой массы и вида смесителя, массы и размера изделия и подбираются опытным путем для каждого вида изделия.
В Таблице приведены характеристики заявляемой композиции ТГ для различного процентного содержания компонентов в сравнении с прототипом.
Составы ТГ №2-7 показали оптимальные результаты. Эти составы при использовании всех рассмотренных компонентов и при всех соотношениях между ними имеют энергетические характеристики не ниже уровня этих характеристик прототипа (Таблица). При этом они по сравнению с прототипом имеют существенно более высокий уровень прочности (в 5-6 раз по сравнению с максимальной прочностью прототипа) и значительно меньший верхний предел относительной деформации (примерно в 6-12 раз).
Уменьшение содержания эпоксидной смолы в составе ТГ менее 14%, несмотря на одновременное максимальное увеличение содержаний пластификатора смолы - ДБФ (более 5%) и поверхностно-активного вещества - диаминдиолеата (более 0,7%), при максимальном снижении содержания отвердителя (менее 1,4%) ведет к существенному ухудшению технологических свойств (прежде всего к значительному повышению вязкости) смешиваемой массы ТГ и невозможности изготовления из нее изделий по указанным технологиям.
Повышение содержания смолы более 39% даже при одновременном максимальном увеличении содержания отвердителя (более 4%) и предельном уменьшении содержаний поверхностно-активного вещества - диаминдиолеата (менее 0,1%) и пластификатора ДБФ (менее 0,5%) нецелесообразно ввиду того, что при этом механические характеристики практически не улучшаются (то есть происходит насыщение рецептуры отвердителем), но при этом значительно снижаются энергетические характеристики ТГ.
Сравнение заявляемого ТГ с прототипом показывает, что они содержат три одинаковых компонента: горючее-связующее, карборан или фенилкарборан и ультрадисперсный порошок высокоэнергетического металла.
Но заявляемое ТГ в качестве горючего-связующего включает новые вещества -эпоксидную смолу, отвердитель (триэтаноламин или полиэтилен-полиамин), пластификатор - дибутилфталат, поверхностно-активное вещество - диаминдиолеат. В качестве ультрадисперсного высокоэнергетического порошка металла оно может включать новые вещества: высокодисперсные порошкообразные лигатуры бора (бор-алюминий, бор-магний, бор-никель или их смеси) и может содержать высокодисперсный порошок циркония. При этом соотношения между компонентами заявляемого ТГ и прототипа также отличаются.
Преимуществом заявляемого ТГ по сравнению с прототипом является существенно более высокий уровень прочности и значительно меньшая деформативность при сохранении энергетических характеристик на том же уровне.
Также как и прототип, заявляемое ТГ не способно к детонации и стабильно при хранении.
Сравнение заявляемого ТГ с прототипом и известными аналогами показывает, что в технике отсутствует твердое горючее, в составе которого используются эпоксидная смола, отвердитель (в качестве которого используется (полиэтиленполиамин, или триэтаноламин, или их смесь), диаминдиолеат, дибутилфталат, высокодисперсная порошкообразная лигатура бора (бор-алюминий, бор-магний, бор-титан или их смеси) и высокодисперсный порошок циркония, а также предложенное сочетании компонентов.
Но именно использование указанных компонентов и такое их сочетание обусловило решение поставленной задачи по созданию состава ТГ, обеспечивающего существенное улучшение механических характеристик при одновременном сохранении достоинств ТГ на уровне прототипа.
Модельные образцы ГГЭ массой 50 г из предлагаемого ТГ и прототипа прошли испытания в специальной установке при выстреле с перегрузкой до 25000g. При этом образцы из предлагаемого ТГ сохранили целостность в этом испытании, а образцы из прототипа разрушились.
Заявляемое ТГ не вызывает принципиальных затруднений при изготовлении из него малогабаритных изделий по известным технологиям. Используемые в нем компоненты производятся промышленностью.
Таким образом, предлагаемое техническое решение практически реализуемо и позволяет удовлетворить существующую потребность в твердом горючем для ПВРД АРС с повышенным уровнем механических характеристик.