СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТВЕРДОГО КОМПОЗИТНОГО АЛЮМИНИЗИРОВАННОГО ТОПЛИВА И ТВЕРДОЕ КОМПОЗИТНОЕ АЛЮМИНИЗИРОВАННОЕ ТОПЛИВО
METHOD OF OBTAINING SOLID COMPOSITE ALUMINISED FUEL AND SOLID COMPOSITE ALUMINISED FUEL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Основными объектами настоящего изобретения являются:
- способ получения твердого композитного топлива (с полиуретановым связующим, заполненным перхлоратом аммония и алюминием),
- указанное твердое композитное топливо, соответствующие заряды твердого топлива и ракетные двигатели.
Изобретение относится к области твердотопливных ракетных двигателей и, более конкретно, относится к твердому композитному алюминизированному топливу.
Предлагаемые применения в основном относятся к твердотопливным двигателям для космических ракет (ускорители или ступени космических ракет).
Задача изобретения состоит в уменьшении отложений окиси алюминия в задней части двигателей с интегрированным соплом и стремлении уменьшить тяговые колебания аэродинамического происхождения с одновременным сохранением баллистических свойств, особенно скоростей сгорания топлива, близких к скоростям сгорания промышленных видов топлива для аэрокосмического применения, известных на сегодняшний день.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Твердотопливные двигатели для космических ракет представляют собой двигатели такого же типа, что и в ракете Ariane 5 или в американском многоразовом транспортном космическом корабле, больших размеров (h ~20 м, D ~5 м), с интегрированным соплом. Заряды твердого топлива, содержащиеся в двигателях этого типа, имеют массу, варьирующуюся от нескольких сотен килограммов до нескольких сотен тонн. Время их работы составляет от порядка нескольких десятков секунд до нескольких минут. Настоящее изобретение относится в данном контексте к крупноразмерным твердотопливным двигателям.
Твердые топлива для этих применений представляют собой композитные топлива с инертным связующим полиуретанового типа. Они содержат заряд перхлората аммония (окисляющий заряд) и заряд алюминия (восстанавливающий заряд). Окисляющий заряд перхлората аммония, содержащийся в указанных топливах, обычно образуют из нескольких зарядов перхлората аммония с различными мономодальными распределениями частиц по размерам, которые были добавлены во время изготовления указанных топлив. То же самое может относиться к восстанавливающему заряду алюминия. Это семейство топлив является семейством, к которому относится настоящее изобретение. Массовые соотношения этих ингредиентов обычно составляют примерно 68% перхлората аммония, 20% алюминия и 12% связующего.
Скорость сгорания твердого топлива зависит от давления Р, преобладающего в камере сгорания, и традиционно подчиняется закону (известному как закон Вайля (Vieille), выраженному в виде:
n
Vc=аР.
Скорость сгорания Vc и показатель степени давления n топлива являются фундаментальными параметрами для баллистического контроля двигателя на твердом топливе (время горения, тяга, устойчивость горения и т.д.).
Стандартными значениями баллистических параметров для применений топлива, к которым относится настоящее изобретение, с использованием композитного алюминизированного топлива с полиуретановым связующим, являются скорость сгорания Vc от нескольких мм/с до 10 мм/с и показатель степени давления n = от 0,2 до 0,4, в пределах диапазона рабочего давления от 3 до 10 МПа.
Специалисту в данной области известно, как выбрать размеры частиц исходных веществ, составляющих твердое топливо, чтобы контролировать скорости сгорания твердого топлива.
М.М.Iqbal и W.Liang (the Journal of Propulsion and Power, vol. 23, No. 5, September 2007) установили влияние размера частиц перхлората аммония на скорость сгорания твердого топлива. Их цель состояла в подтверждении математической модели поверхностного горения, позволяющей предсказывать скорости сгорания этого типа топлива.
L.Massa и Т.L.Jackson (the Journal of Propulsion and Power, vol. 24, No. 2, March-April 2008) установили влияние размера частиц алюминия на скорость сгорания твердого топлива. Их цель также состояла в подтверждении математической модели поверхностного горения, позволяющей предсказывать скорости сгорания этого типа топлива.
Эти две публикации не дают информации о размере частиц окиси алюминия, получаемых после сгорания топлив, и о технических проблемах, связанных с этим размером частиц (см. далее). Более того, различные заряды перхлората аммония, которые рассматриваются в указанных публикациях, характеризуются только одним параметром, а именно диаметром частиц в максимуме пика распределения частиц по размерам.
Во время своего сгорания композитное алюминизированное топливо продуцирует газы и твердые частицы, преимущественно состоящие из окиси алюминия (примерно 30% массы, выпускаемой ракетным двигателем).
Сгорание алюминия до окиси алюминия в композитном топливе было широко изучено. Однако специалисту в данной области не известно, каким образом можно контролировать размер частиц окиси алюминия, получаемых в результате сгорания топлива.
Алюминий, вводимый в твердое композитное алюминизированное топливо, находится в форме более или менее сферических гранул с медианным диаметром от 1 до 50 мкм. Сгорание гранулы алюминия, вытесненной с поверхности горения, схематично представлено на прилагаемой Фиг.1. Пламя окружает гранулу алюминия, и снизу гранулы образуется наслоение из окиси алюминия. Сгорание дает пары окиси алюминия (гранулы маленького размера, примерно 1 мкм) и крупноразмерные гранулы окиси алюминия, происходящие из наслоения, что объясняет бимодальные распределения частиц окиси алюминия по размерам, получаемые в конце из твердого топлива. Исследования, проведенные при сгорании этого алюминизированного топлива (на Фиг.2 показано в графической форме рассматриваемое явление), показывают, что частицы алюминия, которые покидают поверхность топлива, подвергаются агломерации с образованием гранул, намного больших по размеру, чем размер гранул вводимого алюминия. Остаток покидает поверхность без агломерации. Лабораторные наблюдения показывают, что распределение частиц по размеру в остатках сгорания, полученных из композитного алюминизированного топлива, обычно имеет два пика, где середина главного пика соответствует диаметру примерно 60 мкм, а середина второго пика соответствует диаметру от примерно 0,5 мкм до 3 мкм, независимо от размера частиц вводимого алюминия. Процент общего объема, представленного частицами с диаметром более 10 мкм, обычно составляет примерно 30%.
Окись алюминия, образующаяся в результате сгорания алюминизированного топлива, составляет, как указано выше, примерно 30% от массы, выпускаемой ракетным двигателем.
В первом аспекте получение частиц окиси алюминия большого диаметра (>10 мкм) приводит, в случае космических ракетных двигателей, оборудованных интегрированным соплом, к отложению в задней части, приводящему к уменьшению импульса. По оценкам, более 0,5% массы топлива находится, таким образом, в форме окиси алюминия, оседающей в задней части и поэтому не выбрасываемой из двигателя. Конкретно, более крупные частицы имеют высокое аэродинамическое сопротивление, не следуют линиям потока и оседают в задней части двигателя (в форме конуса, образованного интегрированной структурой сопла). Эта невыброшенная масса, с одной стороны, уменьшает эффективность двигателя, а с другой стороны, после выключения двигателя и процесса сброса в космосе может создавать орбитальный мусор, состоящий из окиси алюминия заметных размеров (т.е. более нескольких миллиметров).
Таким образом, специалисту в данной области желательно иметь твердое топливо, которое генерирует окись алюминия с тонким размером частиц, поскольку более мелкие частицы будут лучше следовать линиям потока, выпускаемым соплом, избегая таким образом их накопления в задней части двигателя.
Во втором аспекте могут возникать проблемы аэродинамической неустойчивости, присущие внутренней геометрии крупноразмерных двигателей на твердом топливе (боковая подача продуктов сгорания, слияние струй, геометрические неровности или биение выступающих компонентов и т.д.). Эти аэродинамические неустойчивости могут взаимодействовать со сгоранием топлива и/или акустикой камеры сгорания и вызывать явление резонанса. Такое явление приводит к механическим вибрациям полезной нагрузки космической ракеты. Таким образом, эти явления всегда стараются уменьшить с целью защиты полезной нагрузки.
Специалисты в данной области пытались различными способами (все из которых снижали эффективность) уменьшить эти аэродинамические неустойчивости. Один из способов заключается во введении в поток препятствий, таких как перегородки, вставки или резонансные стержни, и полостей (в этом отношении могут быть рассмотрены документы FR 2844557, US 3795106 и FR 2764645). Применение этих способов требует испытаний в процессе разработки и всегда приводит к снижению эффективности двигателя вследствие увеличения бортовой инертной массы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В последнее время, на основании сложных теоретических расчетов было продемонстрировано, что в случае крупноразмерных двигателей следует способствовать образованию окиси алюминия с маленьким размером частиц (диаметр примерно 1 мкм) с целью уменьшения этих аэродинамических неустойчивостей.
Таким образом, специалисту в данной области желательно иметь твердые алюминизированные топлива, которые при сгорании дают окись алюминия с маленьким диаметром (таким образом способствуя уменьшению колебаний тяги в ракетных двигателях на твердом топливе и оказывая комбинированный положительный эффект на уменьшение отложений в задней части сопла) при одновременном сохранении баллистических свойств, особенно скоростей сгорания, сходных со скоростями сгорания промышленных видов топлива для применения в космических аппаратах, известных в настоящее время.
В оставшейся части документа все данные по размерам частиц получены на основании измерений, осуществленных с использованием фотонно-корреляционного оптического гранулометра (PCS-DLS: Фотонно-Корреляционная Спектроскопия - Диффузионное Светорассеяние), согласно процедуре, определенной стандартом NF 11-666.
Результаты измерений размеров частиц для категории размеров частиц выражены в форме кривых, дающих: с одной стороны, гистограмму объемных процентных содержаний частиц (также известных как проценты проходящего объема) в зависимости от диаметра (эквивалентного сферического диаметра) частиц и, с другой стороны, сумму объемных процентных содержаний частиц в зависимости от диаметра (эквивалентного сферического диаметра) частиц, где сумма взята согласно увеличивающимся диаметрам.
На суммарной кривой объемных процентных содержаний отмечены три характеристических значения анализируемого образца:
10
D: диаметр, для которого суммарное объемное процентное содержание равно 10%;
50
D: диаметр, для которого суммарное объемное процентное содержание равно 50%;
90
D: диаметр, для которого суммарное объемное процентное содержание равно 90%.
10
50
90
Таким образом, категория размеров частиц зернистого материала определяется его гранулометрическим профилем, определяемым минимальными и максимальными значениями D, D и D.
Настоящее изобретение относится к твердому топливу:
- с полиуретановым связующим, содержащим заряд перхлората аммония и заряд алюминия,
- имеющему баллистические свойства (Vc, n), подходящие для применения в ракетных двигателях, и
- образующему во время своего сгорания частицы окиси алюминия маленького размера.
Заявителю удалось выбрать и объединить различные (мономодальные) размеры частиц перхлората аммония, так что во время горения топлива агломерация алюминия при сгорании является ограниченной, с целью уменьшения или практически полного устранения образования частиц с диаметром более 10 мкм, при одновременном сохранении стандартных значений баллистических параметров для применения в двигателях космических аппаратов.
Благодаря тонкодисперсным частицам окиси алюминия, получаемым в результате сгорания твердого топлива по настоящему изобретению, уменьшаются отложения в задней части двигателей и затухают колебания давления.
Первый объект настоящего изобретения представляет собой способ получения твердого композитного топлива, включающий:
- получение пасты путем смешивания в миксере смеси, содержащей жидкий полиольный полимер (обычно присутствующий в смеси в пропорции от 5% до 15% по массе, и чаще всего в пропорции от 7% до 14% по массе), окисляющий заряд перхлората аммония (обычно присутствующий в смеси в пропорции от 40% до 80% по массе, и чаще всего в пропорции от 60% до 75% по массе), восстанавливающий заряд алюминия (обычно присутствующий в смеси в пропорции от 15% до 20% по массе, и чаще всего в пропорции от 16% до 19% по массе), по меньшей мере один агент для сшивания жидкого полиольного полимера в таком количестве, чтобы соотношение образующихся сшивок NCO/OH составляло от 0,8 до 1,1, предпочтительно 1, по меньшей мере один пластификатор и по меньшей мере одну добавку (где сшивающий (сшивающие) агент(ы), пластификатор(ы) и добавка(добавки) обычно присутствуют в смеси в пропорции менее 5% по массе, и чаще всего в пропорции от 1% до 3% по массе);
- заливку полученной пасты в пресс-форму;
- термическое сшивание пасты в пресс-форме.
В характерном случае, окисляющий заряд перхлората аммония в пасте получают в результате введения в миксер отдельно или в виде смеси по меньшей мере:
10
50
90
+ первого заряда, для которого мономодальное распределение частиц по размеру ("категория А") имеет значение D от 100 мкм до 110 мкм, значение D от 170 мкм до 220 мкм и значение D от 315 мкм до 340 мкм, и
10
50
90
+ второго заряда, для которого мономодальное распределение частиц по размеру ("категория В") имеет значение D от 15 мкм до 20 мкм, значение D от 60 мкм до 120 мкм и значение D от 185 мкм до 220 мкм; и необязательно
10
50
90
+ третьего заряда, для которого мономодальное распределение частиц по размеру ("категория С") имеет значение D от 1,7 мкм до 3,6 мкм, значение D от 6 мкм до 12 мкм и значение D от 20 мкм до 32 мкм.
Способ по изобретению представляет собой аналогичный способ, который обычно включает получение пасты из составляющих ингредиентов целевого топлива, заливку пасты в пресс-форму и ее сшивание с помощью тепловой обработки (запекание). Рассматриваемые ингредиенты представляют собой ингредиенты, которые являются стандартными для этого типа топлива. Они включают:
- жидкий полиольный полимер: предпочтительно, указанный полиольный полимер представляет собой гидроксителехелатный полибутадиен;
- окисляющий заряд перхлората аммония (АР);
- восстанавливающий заряд алюминия (AI);
- по меньшей мере один агент (обычно жидкий) для сшивания указанного полиольного полимера: указанный по меньшей мере один сшивающий агент (по меньшей мере бифункциональный) обычно выбран из полиизоцианатов и предпочтительно состоит из алициклического полиизоцианата. Предпочтительно, он состоит издициклогексилметилендиизоцианата (MCDI);
- по меньшей мере один пластификатор: указанный по меньшей мере один пластификатор предпочтительно выбран из диоктилазелата (DOZ), диизооктилсебаката, изодецилпеларгоната, полиизобутилена и диоктилфталата (DOP);
- по меньшей мере одну добавку: указанная по меньшей мере одна добавка, в частности, может состоять из одного или более агентов для адгезии между связующим агентом и окисляющим зарядом, например, бис(2-метилазиридинил)метиламинофосфиноксида (метил-ВАРО) или триэтиленпентаминакрилонитрила (TEPAN), одного или более антиоксидантов, происходящих из антиоксидантов, используемых в резиновой промышленности, например, ди-трет-бутил-пара-крезола (DBC) или 2,2'-метилен-бис(4-метил-6-mpem-бутилфенола) (МВР5), одного или более катализаторов сшивания, например, ацетилацетоната железа или меди, дибутилолова дилаурата (DBTL), одного или более катализаторов горения, например, оксида железа, и т.д.
Указанные ингредиенты вводят в стандартных количествах (проценты по массе), указанных выше.
Здесь следует отметить, что перечень ингредиентов, указанных выше, не является исчерпывающим. Таким образом, не исключается введение в миксер другого энергетического заряда.
Учитывая технические проблемы, упомянутые выше, заряд перхлората аммония оптимизируют в контексте способа по изобретению: его получают из по меньшей мере первого и второго (или даже третьего) заряда, каждый из которых имеет мономодальное распределение частиц по размеру, указанное выше. В характерном случае, это происходит в результате введения в миксер, отдельно или в виде смеси, по меньшей мере двух зарядов с различным мономодальным размером частиц: сначала категории А (см. выше) и затем категории В (см. выше). Введение третьего заряда категории С (см. выше) явно предусматривается. Введение по меньшей мере одного другого заряда (в дополнение к зарядам категорий А, В и С) не исключено из контекста изобретения. В принципе, это является мало полезным.
В характерном случае, заряд перхлората аммония в смеси в миксере по меньшей мере частично, предпочтительно полностью, образуется из первого и второго зарядов (каждый из которых) с конкретным мономодальным размером частиц, или даже из первого, второго и третьего зарядов (каждый из которых) с конкретным мономодальным размером частиц.
Смесь (двойная или тройная) первого и второго или первого, второго и третьего окисляющих зарядов с различными конкретными мономодальными размерами частиц может быть получена заранее. Согласно этому варианту окисляющий заряд топлива получают заранее и затем добавляют в миксер в предварительно смешанном виде.
Смесь (двойная или тройная) первого и второго или первого, второго и третьего окисляющих зарядов с различными конкретными мономодальными размерами частиц может быть получена только в миксере в составе пасты. Согласно этому варианту ее не смешивают заранее. Первый, второй или даже третий заряды, таким образом, можно вводить раздельно. В контексте этого варианта, при введении трех типов окисляющего заряда, все же можно предварительно смешивать двойную смесь первого и второго, первого и третьего или второго и третьего окисляющих зарядов с конкретным мономодальным размером частиц. Затем смесь добавляют в миксер с последующим добавлением, соответственно, третьего, второго или первого окисляющего заряда (дополнительного окисляющего заряда), так что первый, второй и третий заряды составляют окисляющий заряд топлива.
Следует понимать, что указанные выше принципы раздельного введения или введения в виде смеси (двойной или тройной смесей) охватывают все эти варианты.
К чести авторов изобретения, они определили категории мономодальных размеров частиц перхлората аммония А, В и С и продемонстрировали их значение в составе окисляющего заряда твердого композитного алюминизированного топлива.
10
50
90
Согласно одному из предпочтительных вариантов окисляющий заряд перхлората аммония в пасте получают только в результате введения в миксер (отдельно или в виде смеси) первого и второго зарядов, мономодальный размер частиц которых был указан выше (посредством диапазонов значений D, D и D).
Что касается соответствующих используемых количеств первого, второго или даже третьего окисляющих зарядов, можно утверждать в абсолютно неограничивающей манере следующее.
Окисляющий заряд перхлората аммония (100%) в пасте обычно получают в результате введения в миксер отдельно или в виде смеси:
- от 12% до 70% по массе первого заряда (категория А),
- от 10% до 81% по массе второго заряда (категория В),
- от 0 до 23% по массе третьего заряда (категория С).
В частности, он может быть получен в результате введения в миксер отдельно или в виде смеси:
- от 20% до 65% (или даже от 20% до 60%) по массе первого заряда (категория А),
- от 35% до 80% (или даже, соответственно, от 40% до 80%) по массе второго заряда (категория В),
- от 0 до 22% по массе третьего заряда (категория С).
Окисляющий заряд перхлората аммония (100%) в пасте получают обычно в результате введения в миксер отдельно или в виде смеси:
- от 12% до 61% по массе первого заряда (категория А),
- от 36% до 81% по массе второго заряда (категория В),
- от 0 до 23% по массе третьего заряда (категория С).
В контексте предпочтительного варианта, упомянутого выше (введение только первого и второго окисляющих зарядов), окисляющий заряд перхлората аммония (100%) в пасте предпочтительно получают в результате введения в миксер отдельно или в виде смеси:
- от 20% до 65% по массе первого заряда (категория А),
- от 35% до 80% по массе второго заряда (категория В);
еще более предпочтительно:
- от 42% до 61% по массе первого заряда (категория А),
- от 39% до 58% по массе второго заряда (категория В).
Размер частиц заряда алюминия (следует помнить, что также могут быть использованы различные заряды алюминия с мономодальным распределением частиц по размерам (см. примеры ниже)) представляет собой параметр второго порядка, со ссылкой на технические проблемы, упомянутые выше. Частицы алюминия обычно имеют медианный диаметр, меньше или равный 40 мкм. Что касается получения окиси алюминия с мономодальным размером частиц, имеющим среднее значение примерно 1-3 мкм, наилучшие результаты получены с частицами алюминия с медианным диаметром от 1 до 10 мкм и определенными комбинациями перхлората аммония категорий А и В (см. примеры ниже), вводимыми в миксер, с получением заряда перхлората аммония.
50
10
90
Таким образом, заряд алюминия обычно имеет медианный диаметр, (D) меньше или равный 40 мкм, предпочтительно от 1 до 10 мкм. Значения D и D для заряда алюминия предпочтительно составляют, соответственно, по меньшей мере от 1/4 и до не более чем 4-кратного медианного диаметра.
В соответствии с его вторым объектом, настоящее изобретение относится к твердым алюминизированным топливам, которые могут быть получены посредством вышеуказанного способа, где этот способ включает окисляющие заряды перхлората аммония с конкретными различными мономодальными размерами частиц.
Способ по изобретению, как описано выше, фактически приводит к получению новых твердых композитных топлив. Такие твердые композитные топлива (с полиуретановым связующим, заполненным перхлоратом аммония и алюминием), сгорание которых дает менее 15%, и обычно от 2% до 10% по объему частиц окиси алюминия, диаметр которых составляет более 10 мкм, заявлены сами по себе. Их диаметр (сферический эквивалент) измеряют с помощью фотонно-корреляционного оптического гранулометра (см. далее и ниже).
Твердые топлива по изобретению обычно имеют скорости сгорания от 6 до 12 мм/с и показатели степени давления от 0,15 до 0,4, и предпочтительно от 0,2 до 0,4, в пределах диапазона рабочих давлений от 3 до 10 МПа, что соответствует стандартным значениям баллистических параметров. Таким образом, основной задачей способа по изобретению является обеспечение получения твердых топлив, которые обладают такими баллистическими свойствами, и сгорание которых дает частицы окиси алюминия маленького размера.
Размер частиц окиси алюминия, получаемых в результате сгорания топлива по изобретению, определяли с помощью измерительного оборудования, признанного международным сообществом, известного как "ротационная ловушка" ("rotary trap") или "бомба для гашения горящих частиц" ("quench particle combustion bomb"). Оно было разработано компанией Norton Thiokol (см. Р.С.Braithwaite, W.N.Christensen, V. Daugherty (Morton Thiokol), Quench bomb investigation of aluminium oxide formation from solid rocket propellants (part I): experimental methodology, 25th JANNAF combustion meeting, CPIA Publication 498, vol. 1, p.175, October 1988). Принцип состоит в сжигании небольшого образца топлива на конце стержня, зафиксированного в камере, при комнатной температуре, которое происходит под давлением, обычно азота. Резервуар, содержащий спирт, вращается вокруг образца. Расстояние между образцом и пленкой спирта, образующейся на стенке сосуда, можно регулировать. Большинство частиц, выбрасываемых с поверхности горения, ударяется о вращающуюся жидкость. После эксперимента жидкость отделяют и частицы анализируют.
Распределение выделенных частиц по размеру (по объему) затем измеряют с помощью фотонно-корреляционного оптического гранулометра (PCS-DLS:
Фотонно-Корреляционная Спектроскопия - Диффузионное Светорассеяние).
Твердые топлива по изобретению во время их сгорания дают частицы меньшего размера, чем частицы, полученные в результате сгорания топлива такого же типа из предшествующего уровня техники. Процент общего объема (проходящего), соответствующего частицам с диаметром (сферический эквивалент) более 10 мкм, таким образом, составляет менее 15%, и обычно от 2% до 10% для топлива по изобретению и является гораздо более низким, чем для сравнительного топлива из предшествующего уровня техники (примерно 30%).
Кривые размеров частиц для частиц, полученных в результате сгорания топлива по изобретению, всегда демонстрируют, аналогично кривым для топлив из предшествующего уровня техники, гранулометрический пик со средним значением от примерно 0,1 до 3 мкм. Для некоторых видов топлива по изобретению, как и в случае топлив из предшествующего уровня техники, также наблюдается второй гранулометрический пик, соответствующий частицам с диаметром более 10 мкм. Середина этого второго пика соответствует от примерно 10 до 50 мкм для топлива по изобретению, и эти значения меньше, чем значения, наблюдаемые для топлив из предшествующего уровня техники (от 60 до 100 мкм). Предпочтительные топлива по изобретению не имеют второго гранулометрического пика и поэтому дают лишь незначительный процент частиц с диаметром более 10 мкм.
Согласно другому объекту, изобретение относится к заряду твердого топлива, содержащему твердое топливо по изобретению.
Согласно еще одному объекту, изобретение относится к ракетному двигателю, включающему по меньшей мере один заряд, содержащий топливо по изобретению.
Наконец, объектом изобретения является окисляющий заряд перхлората аммония, который особенно полезен в способе получения твердого композитного топлива по изобретению, как описано выше, и который особенно полезен для получения твердого композитного топлива по изобретению, как описано выше. Указанный заряд может быть получен путем смешивания по меньшей мере двух зарядов, выбранных из первого, второго и третьего зарядов, как определено выше (двойных или тройных смесей), которые могут быть получены предпочтительно путем смешивания по меньшей мере первого заряда и по меньшей мере второго заряда (двойные смеси) и возможно по меньшей мере третьего заряда (тройные смеси), как определено выше, которые могут быть более предпочтительно получены путем смешивания по меньшей мере первого заряда и по меньшей мере второго заряда (двойные смеси), как определено выше. Он также предпочтительно содержит указанные заряды в массовых пропорциях, указанных выше.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Далее изобретение описано, без какого-либо ограничения, со ссылкой на прилагаемые графические материалы и на примеры ниже.
На Фиг.1 показана схема сгорания гранулы алюминия.
На Фиг.2 показано явление получения частиц окиси алюминия с различными размерами, образующихся в результате сгорания твердого топлива.
На Фиг.3 показаны кривые размеров частиц по объему, измеренные с помощью фотонно-корреляционного оптического гранулометра (PCS-DLS: Фотонно-Корреляционная Спектроскопия - Диффузионное Светорассеяние) для частиц, полученных при использовании предпочтительного топлива по изобретению (см. пример 9 ниже), по сравнению с частицами, полученными при использовании сравнительного топлива из предшествующего уровня техники (см. ниже).
На Фиг.1 показано следующее: 1 - твердое топливо, 2 - поверхность горения твердого топлива, 3 - сгорающая гранула алюминия, 4 - наслоение окиси алюминия в основании гранулы 3, 5 - пламя, и 6 - струя дыма.
На Фиг.2 показано: 1 - твердое топливо, 2 - поверхность его горения, 3 - гранулы алюминия, 4 - наслоение окиси алюминия в основании сгорающих гранул 3.
На Фиг.2 показано: 3' - агломерированная гранула алюминия, 7 - дым, содержащий мелкие частицы (диаметр примерно 1 мкм), и 8 и 8' - оставшиеся частицы окиси (диаметр примерно 0,5-4 мкм и 40-100 мкм, соответственно).
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее изобретение проиллюстрировано примерами (примеры композиций топлива по изобретению), представленными ниже.
В Таблице 1 ниже приведены массовые процентные содержания компонентов (PA, AI) твердых топлив по изобретению, баллистические свойства указанных топлив и размеры частиц окиси алюминия, полученных в результате сгорания указанных топлив. Такие же данные указаны для трех сравнительных топлив. Твердые топлива из Таблицы 1 представляют собой твердые композитные топлива с полиуретановым связующим и содержат окисляющий заряд перхлората аммония и заряд алюминия.
Сравнительные топлива 1 и 2 имеют стандартный состав. Они представляют собой тип топлива, используемый для применения в космических аппаратах. Сравнительное топливо 3 демонстрирует влияние значительного присутствия (42%) мелких частиц перхлората аммония на скорость сгорания (по логике, затем получаются мелкие частицы окиси алюминия).
Твердые топлива по изобретению согласно примерам 1-12 имеют скорости сгорания и показатели степени давления, измеряемые при 5 МПа, в ожидаемых диапазонах скорости и степени показателя для целевой области применения, сходные с этими показателями для сравнительных топлив 1 и 2.
Последняя строка в Таблице 1 относится к топливу М12 из Таблицы 3 в Massa et al., Journal of Propulsion and Power, vol. 24, No. 2, March-April 2008. Оно содержит частицы перхлората аммония размером 200 мкм (26,92% = 27%) и 82,5 мкм (40,38% = 40%), а также частицы алюминия размером 3 мкм (20%).
Профили размеров частиц зарядов алюминия, упомянутые в Таблице 1, указаны в Таблице 2.
Частицы окиси алюминия, полученные при использовании твердых топлив из Таблицы 1, выделяли с использованием камеры под давлением, оборудованной ловушкой (тестовый способ "ротационная ловушка", описанный выше). Процедура улавливания частиц является следующей:
- тестовый образец топлива находится в форме куба (с длиной стороны 1 см) с неингибированной гранью;
- держатель образца, на котором закреплен тестовый образец, помещают внутрь ротационной ловушки;
- во время теста спирт, содержащийся в ротационной ловушке, распределяется в форме пленки (толщиной примерно 2 мм) по стенкам резервуара благодаря его вращению;
- давление внутри камеры устанавливают на уровне 5 МПа. Избыточное давление создают с помощью азота, и расстояние между образцом топлива и пленкой спирта составляет 20 мм в начале сгорания. Испускаемые частицы отбираются горизонтально;
- свободную грань топливного куба напротив спиртовой пленки поджигают (очень малая продолжительность горения позволяет поддерживать практически постоянную поверхность горения).
Принцип улавливания заключается в улавливании в спирте частиц из конденсированной фазы, испускаемой в продуктах сгорания образца топлива.
Затем измеряют распределение извлеченных частиц по размеру, по объему, с использованием фотонно-корреляционного оптического гранулометра (PCS-DLS: Фотонно-Корреляционная Спектроскопия - Диффузионное Светорассеяние).
Перед введением в гранулометр остатки, извлеченные в суспензии в этаноле, подвергают ультразвуковой обработке.
Со ссылкой на Фиг.3, распределение частиц по размерам, или распределение частиц, собранных в этаноле во время горения топлива, выражено в виде двух кривых: с одной стороны, гистограммы, дающей объемную фракцию частиц в зависимости от категории эквивалентного сферического диаметра анализируемых частиц, а с другой стороны, кривой, дающей суммарную объемную фракцию в зависимости от категории эквивалентного сферического диаметра анализируемых частиц.
На Фиг.3 показаны кривые, полученные для сравнительного топлива 1, и кривые для примера 9 согласно изобретению.
В Таблице 1 приведены характеристические значения, отмеченные на кривых размеров частиц для извлеченных частиц, полученных при сгорании сравнительных твердых топлив, и для примеров согласно изобретению (см. три последних колонки в Таблице 1).
Композиции твердых топлив в Таблице 1 приведены в виде массового процентного содержания заряда перхлората аммония и состава этого заряда (категория А/В/С), массового процентного содержания алюминия и категории размеров его частиц (указано в Таблице 2), остатка до 100% массы, образованной из гидроксителехелатного полибутадиенового полиольного полимера РВНТ R45HTLO, продаваемого компанией Sartomer, сшивающего агента MDCI, пластификатора DOZ и добавок.
На гистограммах размеров частиц всегда присутствует по меньшей мере один гранулометрический пик для диаметров менее 10 мкм. Значения, указанные в колонке "Dпик <10 мкм" в Таблице 1, соответствуют значению или диапазону значений (когда присутствует несколько пиков, или когда в нескольких тестах измеряют дисперсию значений) максимума или максимумов по меньшей мере одного гранулометрического пика для измеренных диаметров менее 10 мкм. Когда на кривой размеров частиц присутствует более чем один гранулометрический пик для частиц с диаметром более 10 мкм, тогда зарегистрированное значение или диапазон значений (например, зарегистрированный в нескольких тестах) диаметра максимума гранулометрического пика для частиц с диаметром более 10 мкм указано в колонке "Dпик >10 мкм" в Таблице 1.
Значения, зарегистрированные для "Dпик <10 мкм" для топлива по изобретению, являются сходными со значениями сравнения. С другой стороны, все значения "Dпик >10 мкм" для топлива по изобретению меньше значений для сравнительных топлив 1 и 2. Для примеров 7, 8, 9, 11 и 12 по изобретению не наблюдали гранулометрического пика больше 10 мкм.
Твердые топлива по изобретению дают пониженное количество частиц окиси алюминия с диаметром более 10 мкм относительно сравнительных топлив 1 и 2. В Таблице 1 это выражено значением процентного содержания по объему (проходящий объем, зарегистрированный на кривой, дающий суммарную объемную фракцию в зависимости от категории эквивалентного сферического диаметра анализируемых частиц), соответствующего категориям частиц с диаметром более 10 мкм. Все топлива по изобретению приводят к проценту проходящего объема, соответствующего частицам с диаметром более 10 мкм, который является значительно меньшим, чем этот процент для сравнительного топлива.
Среди твердых топлив, перечисленных в Таблице 1, можно отметить ценность топлив из примеров 8 и 9, которые демонстрируют скорость сгорания, сходную со скоростью сгорания сравнительных топлив (1 и 2), и дают очень маленький процент частиц с диаметром более 10 мкм.
Топливо М12 в Таблице 3 в Massa et al., Journal of Propulsion и Power, vol. 24, No. 2, March-April 2008, содержит два заряда перхлората аммония, образованных из перхлората аммония, с распределениями частиц по размерам с центрами, соответственно, в 200 мкм и 82,5 мкм (и таким образом с центрами в диапазоне 050 для зарядов категорий А и В согласно изобретению).
Топливо М12 имеет скорость сгорания 14 мм/с при 40 МПа (Фиг.12 с). Поскольку скорость сгорания твердых топлив увеличивается с давлением, то скорость сгорания топлива М12 при давлении 5 МПа (сравнительное давление для примеров по изобретению) неизменно больше, чем это значение 14 мм/с. Поэтому она является намного большей, чем скорость сгорания сравнительных топлив 1 и 2.
50
10
50
90
Это показывает, что выбор зарядов перхлората аммония только на основании критерия их медианного диаметра (D) является недостаточным для обеспечения как скорости сгорания, очень схожей со скоростью сгорания сравнительных топлив 1 и 2, так и очень малого процентного содержания частиц окиси алюминия с диаметром более 10 мкм (в этой связи здесь следует напомнить, что Massa с соавт. не дает никакой информации относительно размера получаемых частиц окиси алюминия). Поэтому выбирая заряды перхлората аммония с подходящими спектрами D, D и D, заявитель достиг желаемой цели.
Таблица 1
Массовое содержание перхлората аммония и массовое распределение категорий размеров частиц А/В/С
Массовое содержание и категория размеров частиц алюминия
Vc
n
Dпик <10 мкм
Dпик >10 мкм
% проходящего объема >10 мкм
5 МПа
мм/с
мкм
мкм
Ср.1
68% 85/0/15
18% (D)
7,9
0,35
0,8-1,5
60-80
29
Cp.2
60% 85/0/15
18% (Е)
8,3
0,35
0,8-1,5
20-80
22
Cp.3
69% 58/0/42
19% (I)
11,8
0,34
1,68
-
6
Пр.1
68% 41/37/22
18% (Е)
11,1
0,24
1,2-2,0
20-40
6
Пр.2
68% 25/60/15
18% (F)
10,3
0,27
1,5-2,0
10-40
4
Пр.3
68% 30/50/20
18% (Е)
11
0,28
1,5-2,0
20-40
5
Пр.4
68% 13/80/7
18% (F)
10,8
0,26
1,5-2,5
10-40
2
Пр.5
68% 50/50/0
18% (F)
7,4
0,16
1,3
45
10
Пр.6
68% 43/57/0
18% (F)
7,8
0,22
1,5
35
4
Пр.7
68% 13/80/7
18% (Е)
10,8
0,29
1,45
-
5
Пр.8
69% 60/40/0
19% (F)
8,4
0,25
0,3
-
3
Пр.9
70% 60/40/0
16% (F)
7,8
0,26
0,3-2,0
-
3
Пр.10
68% 50/50/0
18% (смесь 50% F/50% G)
7,1
0,33
0,4
55
7
Пр.11
69% 69,6/11,6/18,8
19% (смесь 50% Н/50% I)
9,6
0,3
1,44
-
5,5
Пр.12
69% 69,6/11,6/18,8
19% (смесь 50% Н/50% J)
9,9
0,27
1,24
-
10,8
М12
67% 27% 200 мкм 40% 82,5 мкм
20% 3 мкм
14 (до 4 МПа)
Таблица 2
Категории размеров частиц зарядов алюминия, используемых для сравнения и примеров 1-10 из Таблицы 1
D
13,9<D<sub>10</sub><17,7
33,7<D<sub>50</sub><42,9
72,5<D<sub>90</sub><86,4
Е
2,5<D<sub>10</sub><3,7
4,5<D<sub>50</sub><7,3
9,0<D<sub>90</sub><16,0
F
3,0<D<sub>10</sub><4,5
7,5<D<sub>50</sub><10,0
11,0<D<sub>90</sub><19,0
G
13,0<D<sub>10</sub><15,0
38<D<sub>50</sub><50
85,0<D<sub>90</sub><100,0
Н
0,3<D<sub>10</sub><0,6
3,5<D<sub>50</sub><7
84<D<sub>90</sub><100
I
9<D<sub>10</sub><11
14,5<D<sub>50</sub><16,5
23<D<sub>90</sub><26
J
7,5<D<sub>10</sub><9
30<D<sub>50</sub><32
81<D<sub>90</sub><85