ТВЕРДОТОПЛИВНЫЙ ГАЗОГЕНЕРИРУЮЩИЙ СОСТАВ НА ОСНОВЕ НИТРАТА АММОНИЯ
AMMONIUM NITRATE BASED SOLID-FUEL GAS-GENERATING COMPOSITION

Изобретение относится к области газогенерирующей техники, а именно к высокоэнергетическим твердотопливным газогенерирующим составам, и может быть использовано в различных системах пожаротушения на основе газогенераторов, автономных системах подъема затонувших объектов, подушках безопасности автомобилей, системах интенсификации добычи нефти.
Известен ряд твердотопливных газогенерирующих составов на основе нитрата аммония (НА) [1, 2, 4, 6], которые характеризуются высокой газопроизводительностью и скоростью горения.
Недостатком, например по [1], является наличие в составе перхлората аммония и октогена, что приводит к появлению в продуктах сгорания токсичных соединений хлора, а наличие октогена, как взрывчатого вещества, приводит к повышению чувствительности состава к механическим и детонационным воздействиям. Кроме того, наличие перхлората аммония и октогена в твердотопливном газогенерирующем составе приводит к существенному росту температуры продуктов сгорания, что ограничивает область его применения.
Известен газогенерирующий состав [2], характеризующийся отсутствием экологически неблагоприятных соединений в продуктах сгорания. Недостатком такого состава является присутствие металлического горючего: микро- и нанодисперсных порошков алюминия, что в свою очередь приводит к существенному росту температуры получаемых газов и наличия в их составе конденсированных продуктов сгорания. Кроме того, такой газогенерирующий состав не воспламеняется и не горит при низких давлениях и для его нормального воспламенения и горения требуется создание повышенных давлений. В известном газогенерирующем составе в качестве окислителя применяется нефазостабилизированный нитрат аммония, что приводит к резкому снижению сроков службы такого состава, ввиду нарушения его целостности при хранении [3].
Известны газогенерирующие составы [4], характеризующиеся низкой температурой продуктов горения. Недостатком является присутствие в составе соединений, содержащих хлор (хлорид аммония), что также приводит к появлению токсичных продуктов сгорания. При этом фазовая стабилизация нитрата аммония, применяемого в таких составах, достигнута с помощью добавки соединений металлов. Это, в свою очередь, как показано в [5] снижает срок службы составов. Кроме того, нитрат аммония содержит 15 мас.% фазостабилизирующей добавки, что приводит к существенному снижению его окислительного потенциала.
Известен газообразующий состав [6], состоящий из гидрида алюминия и перхлората калия. Его недостаток обусловлен наличием в его составе гидрида алюминия, что резко повышает взрывоопасность состава на всех стадиях его производства и эксплуатации. Наличие перхлората калия приводит к образованию токсичных соединений хлора в процессе горения, что также является нежелательным фактором. В случае использования смешанного окислителя нитрат аммония/перхлорат аммония [6] происходит выделение токсичных соединений хлора. Такие составы характеризуются неустойчивым воспламенением и горением при нормальных давлениях.
Таким образом, известные твердотопливные газогенерирующие составы характеризуются нестабильностью свойств НА как окислителя, высокой температурой продуктов сгорания, наличием токсичных соединений хлора (НС1 и др.) в продуктах сгорания, низкой газопроизводительностью, высокой чувствительностью к детонационным и механическим воздействиям, низкой скоростью горения и низкой воспламеняемостью при низких давлениях, что существенно ограничивает их функциональные возможности и области применения.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является газогенерирующий состав [7, прототип] на основе нитрата аммония, включающий окислитель, горючее-связующее и энергетическую добавку. В нем в качестве окислителя используется фазостабилизированный нитрат аммония, в качестве горючего-связующего 5-аминотетразол. В составе применяется нитрат аммония, фазостабилизированный нитратом калия, что как показано в [8], приводит к нестабильности свойств нитрата аммония в плане фазовой стабилизации. Данная марка нитрата аммония не выдерживает более 10 циклов температурного нагружения и полиморфные переходы в кристаллической решетке восстанавливаются, что недопустимо в составах газогенерирующих композиций. Наличие в составе 5-аминотетразола приводит к росту чувствительности к механическим и детонационным воздействиям газогенерирующего состава и снижает его газопроизводительность. Отмечается, что для устойчивого воспламенения и горения газогенерирующего состава необходимо создание повышенного давления, при давлениях порядка атмосферного газогенерирующий состав реализует неустойчивое воспламенение, а его горение затухает.
Предлагаемое техническое решение направлено на создание твердотопливного газогенерирующего состава, способного при сохранении высокой скорости горения, высокого уровня газопроизводительности, низкой чувствительности состава к детонационным и механическим воздействиям, отсутствия токсичных соединений в продуктах сгорания, низкой температуры продуктов сгорания, обеспечить хорошую воспламеняемость составов и повышенный уровень скорости их горения при нормальных условиях, что позволяет использовать его в различных газогенераторах прикладного назначения, работающих при низких давлениях, в которых требуется высокая газопроизводительность, низкая температура продуктов сгорания и отсутствие токсичных соединений в продуктах сгорания. Кроме того, предлагаемое решение характеризуется низкой чувствительностью к детонационным и механическим воздействиям. Указанные свойства предлагаемого технического решения обеспечиваются применением нитрата аммония марки ЖВ, нитрамино-пропионитрила и метилполивинилтетразола.
Технический результат выражается в повышении стабильности свойств нитрата аммония за счет использования фазостабилизированного нитрата аммония марки ЖВ, повышении скорости горения, снижении времени задержки воспламенения, повышении газопроизводительности при снижении чувствительности к детонационным и механическим нагружениям и отсутствии токсичных соединений в продуктах сгорания (см. таблицу).
Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что в качестве окислителя используется фазостабилизированный нитрат аммония марки ЖВ, в качестве энергетической добавки - нитраминопропионитрил, в качестве горючего-связующего - метилполивинилтетразол.
Нитрат аммония обеспечивает высокое содержание окислительных бесхлорных соединений в продуктах разложения, характеризующихся низкой температурой и вводится в газогенерирующий состав в количестве 60-70 мас.%, что обеспечивает оптимальные условия воспламенения и горения состава. Составы с меньшим и большим содержанием нитрата аммония характеризуются отсутствием устойчивого воспламенения при низких давлениях.
Введение нитраминопропионитрила и метилполивинилтетразола обеспечивает дополнительный экзотермический тепловой эффект в температурном интервале разложения нитрата аммония, что приводит к интенсификации процесса горения состава и облегчает его воспламенение. Содержание нитраминопропионитрила в количестве 20-25 мас.% является оптимальным для реализации устойчивого горения и воспламенения газогенерирующего состава, особенно при низких давлениях. Иное содержание нитраминопропионитрила приводит к нарушению устойчивости воспламенения при низких давлениях. Введение метилполивинилтетразола в количестве 5-20 мас.% обеспечивает необходимый уровень механических характеристик газогенерирующего состава с учетом требований по содержанию других компонентов.
Предлагаемый состав позволяет решить проблему низкой эффективности горения (низкая скорость горения, большие энергомассовые потери на шлакообразование и агломерацию) за счет интенсификации тепловыделения в конденсированной фазе в температурном интервале, соответствующем термическому разложению нитрата аммония.
Для проверки эффективности предложенного состава были проведены экспериментальные стендовые испытания на Опытно-испытательной станции ФГУП ФНПЦ «Алтай», подтвердившие высокую эффективность предложенного состава.
Источники информации
1. Патент США №4158583 от 16.12.1977 г.
2. Патент РФ №2363691 от 06.11.2007 г.
3. N. Kubota. Propellants and Explosives: Thermochemical Aspects of Combustion // Wiley-VCH Verlag. 2002.
4. Патент США №6231702 от 15.05.2001 г.
5. Р.Engel. Thermoanalytical Investigation of Stored Ammonium Nitrate Doped with Diammine Copper-(II) // Propellants, Explosives, Pyrotechnics. V.10, p.84-86 (1985).
6. Патент РФ №2335484 от 10.10.2008 г.
7. Патент US №6475312 от 05.11.2002 г.
8. Патент РФ №2240283 от 11.08.2003 г.