Топливо

 

Топливо, преимущественно для ракетных двигателей. Целью данного изобретения является создание ракетного топлива, содержащего жидкий, гелеобразный или твердый топливный компонент и присадку к нему, которое было бы экологически чистым и обладало бы более высокой теплотворной способностью и тяговой эффективностью. Для достижения указанной цели в топливе, содержащем жидкий, гелеобразный или твердый топливный компонент и присадку к нему, присадка выполнена в виде микрокапсул из полимерного материала, заполненных под давлением газообразным водородом, метаном, попутным или природным газом, жидким или твердым горючим. 2 з.п.ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к комбинированным микрокапсулированным топливам, состоящим из окислителя и горючего, для различных транспортных и энергетических средств.

Известно унитарное топливо /Пат. США N 3523839 от 1970 г./, состоящее из твердого окислителя /перхлорат аммония, перхлорат лития или перхлорат нитрония/, заключенного в капсулы из легкого металла /атомный вес не выше 27/ и плотного, устойчивого к растворителям полимера. Капсулы служат горючим в этом топливе и одновременно защищают окислитель от неблагоприятных факторов окружающей среды.

Рассмотренный прототип имеет недостатки, характерные для всех твердых топлив по сравнению с жидкими: 1. Меньший удельный импульс тяги, 2. Невозможность транспортировки топлива отдельно от двигателя, 3. Чувствительность характеристик к температурным изменениям, 4. Опасность образования трещин при деформациях, 5. Невозможность отключения двигателя после его запуска, 6. Невозможность многократного запуска двигателя и т.д.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание микрокапсулированных жидких по свойствам топлив, лишенных перечисленных выше недостатков.

Технический результат может быть достигнут тем, что в жидкий кислород - наиболее распространенный из экологически чистых окислителей, или в жидкий кислород, представляющий собой смесь двух его аллотропных модификаций /кислорода и озона/ помещают капсулы из полимерного материала, содержащие внутри себя горячее в газообразном, жидком или гелеобразном состоянии. Перед употреблением горючее и окислитель могут храниться как вместе в одном баке /унитарное топливо/, так и в разных баках /двухбаковое, трехбаковое и т.д. топливо/. Сами капсулы представляют собой горючее вещество и могут выполняться с примесью других горючих веществ, например, металлов, выполняющих армирующие, защитные или балансировочные функции, а также алмазоподобных /углеродных/ покрытий, наносимых на поверхность капсул с целью их защиты от механических повреждений. Горючее вещество (метан, керосин и т.д.) может добавляться к капсулированному горючему и в жидкой фазе с целью улучшения его эксплуатационных характеристик /перекачка, хранение, транспортировки и т.д./.

Примеры реализации изобретения: 1. Унитарное топливо находится в одном баке и состоит из жидкого кислорода /Т=91K/ и размещенных в нем равномерно по всему объему капсул из полиэтилена с длинными молекулами /C₂H₆/₁₀₀ высокой прочности σ_в= 380 МПа и плотности ρ_к= 1,4 т/м³. Плотность жидкого кислорода 1,14 т/м³, относительный радиус сферической оболочки капсулы /отношение внутреннего радиуса к наружному/ равен 0,77, давление газообразного водорода в капсуле 75 МПа, плотность капсулы в целом 1,14 т/м³/ коэффициент запаса прочности оболочки капсулы принят равным 1,6/. В более общем случае капсулы могут иметь несферическую форму и содержать в себе не одну, а несколько полостей при тех же самых осредненных характеристиках.

Капсула, выполненная из перечисленных выше условий, состоит из 44% водорода и 56% углерода /массовые доли/. По отношению ко всей массе топлива /кислород, водород, оболочки капсул/ водорода при стехиометрическом соотношении содержится в топливе 7,31%. Реальный удельный импульс этого топлива в жидкостном ракетном двигателе /ЖРД/ будет находиться в интервале, ограниченном классическими топливами (см. табл.1 в конце описания).

При этом эксплуатационные условия сохраняются примерно теми же, что и для жидкого кислорода, а все трудности, связанные с использованием жидкого водорода - исчезают. К тому же однобаковая система хранения топлива легче и проще двухбаковой.

2. Двухбаковое топливо состоит из жидкого кислорода /Т= 91K/ и капсул с газообразным водородом /относительный радиус сферической оболочки 0,96 давления водорода 18 МПа, плотность капсулы в целом ρ_к= 0,46 т/м³/. В бак с капсулами добавлен с целью улучшения условий эксплуатации жидкий метан /Т= 112K, ρ_м= 0,46 т/м³/в количестве 60% весовых. Без добавки жидкого метана пришлось бы усложнять систему подачи капсул к двигателю за счет организации псевдоожиженного их состояния с помощью нежелательной вибрации бака. Метан - высокоэффективное горючее вещество с содержанием водорода 25%, а весовое соотношение из 60% жидкого метана и 40% капсул с газообразным водородом /20% водорода содержится в самом материале полиэтиленовой капсулы и еще 63% водорода находится в ней под давлением 180 ати/ является близким к оптимуму из условий организации процессов в камере сгорания ЖРД. Общее весовое содержание водорода в горючем /жидкий метан + капсулы/ равно 48%, а в топливе - 9,6%. Максимальный удельный импульс топлива при условии примера реализации N 1 ожидается в пределах 380 - 385 с, что не намного меньше, чем у рассмотренного выше унитарного топлива.

3. Двухбаковое топливо состоит их жидкого кислорода /Т = 91K/ и капсул с жидким или гелеобразным бензином /бензин с растворенной в нем канифолью/, керосином, бензолом, плотность полиэтиленовой капсулы в целом ρ_к= 0,82 т/м³/. В бак с капсулами добавлен с целью улучшения условий эксплуатации керосин /Т = 291K, ρ = 0,82 т/м³/ в количестве 20% от общей массы горючего /капсулы + керосин/. Подобное топливо целесообразно применять в том случае, если хотят использовать существующие кислородно-керосиновые ЖРД при их минимальной переделке. При этом водорода в общей массе топлива /кислород + керосин + капсулы/ будет 8%, а его удельный импульс составит 320 с, что значительно выше, чем у кислород-керосиновых ЖРД.

4. Однобаковое /унитарное/ топливо состоит из смеси жидкого кислорода 20% весовых и 80% жидкого озона /Т = 163K, ρ = 1,46 т/м³/ - см. таблицу 2 в конце описания - и полиэтиленовых капсул с газообразным водородом /относительный радиус 0,77, содержание водорода 44%, давление 75 МПа, коэффициент запаса прочности 1,6, плотность капсулы в целом без покрытия 1,14 т/м³/. Для достижения нулевой плавучести плотность капсулы в целом доводится до 1,46 т/м³ за счет увеличения ее массы на 35% с помощью газофазного напыления в вакууме на ее поверхность алюминия /удельный вес 2,7 т/м³/.

В земных условиях /степень расширения сопла 70:1/ теоретический удельный импульс топлива кислород + водород составляет 391 с, а топлива озон + водород - 422 c /соответственно значения удельного импульса в пустоте 435 c и 465 c/. Следует ожидать, что удельный импульс топлива будет лежать в диапазоне 410 - 450 c, т.е. будет практически равен удельному импульсу кислородно-водородного топлива, но при значительно большей общей плотности топлива /требуется меньший вес и размеры бака/ и упрощения системы хранения и подачи топлива.

Основная трудность практического использования жидкого озона - взрывоопасность при критическом диапазоне менее одного миллиметра - устраняется микрокапсулированием. При 20% озона в кислороде - смесь не взрывается, при 33% - критический диаметр равен 38 мм, следовательно, для рассмотренного примера диаметр капсул должен составлять порядка 1 - 2 мм при их сплошном /без промежутков/ заполнении окислителя.

Необходимо отметить и еще одно положительное свойство микрокапсул - они эффективно защищают топливо от вытекания из бака в космических условиях в случае пробоя бака микрометеоритами. Для боевой техники этот принцип может быть использован и в земных условиях.

Использование предложенного изобретения по сравнению с прототипом существенно улучшает энергетические и эксплуатационные характеристики, кратность применения матчасти, и реализует многоразовое включение двигателя, что в итоге позволяет реализовать принципиально новые возможности топлива /однобаковое хранение, использование энергии сжатого газа, защита от пробоя бака, применение в качестве горючих веществ металлов и т.д./. В различных транспортных и энергетических системах.

Формула изобретения

1. Топливо, состоящее из окислителя и горючего, заключенного в капсулы из полимерного материала, отличающееся тем, что содержит горючее в газообразном, жидком или гелеобразном состоянии и в качестве окислителя - жидкий кислород.

2. Топливо по п.1, отличающееся тем, что капсула снаружи покрыта горючим веществом.

3. Топливо по пп.1 и 2, отличающееся тем, что в качестве горючего вещества применен металл и/или алмазоподобный состав.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2