Композиция твердого горючего

Изобретение относится к твердым горючим для прямоточных воздушно-реактивных двигателей внешнего и внутреннего дожигания в до-, сверх- или гиперзвуковом воздушном потоке. Предложена композиция твердого горючего, которая содержит полиолефин (полиэтилен, полипропилен, полибутилен, полибутадиен) в качестве горючего, ультрадисперсный порошок металла (порошок бора, алюминия, магния или их смесь) и карборан или его производное - фенилкарборан, изопропилкарборан. Изобретение направлено на улучшение энергетических характеристик и повышение скорости горения топлива. 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к области горючих для прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД), а конкретно - к твердым органическим горючим для использования в прямоточном воздушно-реактивном двигателе (ПВРД) внешнего и внутреннего дожигания в до-, сверх- или гиперзвуковом воздушном потоке.

По сравнению с газообразными, жидкими и гелеобразными горючими, используемыми в ПВРД, твердые горючие отличаются сравнительной простотой в эксплуатации, меньшим временем подготовки к запуску. ПВРД на твердом топливе более прост по своей конструкции. Отсутствуют баки, насосы для перекачивания компонентов топлива и т.д. («Ракетные топлива» под редакцией Я.М.Паушкина и А.З.Чулкова. - М. Мир, 1975 г., 188 с.; «Энергетические конденсированные системы» под редакцией Б.П.Жукова, М., «Янус-К», 2000 г., 596 с.).

Известны твердые топлива, используемые в ПВРД, на основе полиолефинов, в частности на основе горючих связующих - сополимера изобутилена и изопрена (пат. США №3012866, кл. 149-46, декабрь 1961 г.) и полиизопрена (пат. США №3122461, кл. 149-22, февраль 1964 г.), в которых в качестве окислителя используются перхлораты, хлораты и перманганаты аммония.

Для ПВРД с камерой дожигания недоокисленных продуктов сгорания твердого топлива в подводимом потоке воздуха предложены твердые топлива, содержащие окислитель в количестве, достаточном для поддержания горения топлива, но не достаточном для полного его окисления.

Описано твердое топливо (пат. США №6736912 В1, МПК⁷ С 06 В 45/10, нац. кл. 149/19.9, май 2004 г.), содержащее не менее 50% связующего на основе полибутадиена с концевыми гидроксильными группами и сшитого полистирола, менее 10% смеси фторированного углерода (CF_x)_n и одного из элементов В, Al, Mg или их смеси, остальное - перхлорат аммония и до 3% катализатора горения.

Реакция между алюминием, а также бором и магнием, и (CF_x)_n является экзотермической, обеспечивающей окисление углеводородного горючего перхлоратом аммония. Однако количество окислителя только поддерживает горение, но его не достаточно для полного окисления. Дожигание продуктов сгорания происходит в камере сгорания в подводимом высокоскоростном потоке воздуха.

В патенте США (пат. США №3986909, МПК C 06 D 5/06 нац. кл. 149/19.9, октябрь 1976 г.), принятом за прототип, описано твердое топливо для ПВРД с камерой дожигания продуктов неполного сгорания топлива, содержащее 10-50% связующего на основе полибутадиена, полибутадиена с концевыми гидроксильными или карбоксильными группами, полиэтилена, полиэфиров и др., не менее 25% бора, алюминия или магния, остальное - окислитель, в количестве достаточном, чтобы поддерживать горение, но не достаточном для полного сгорания горючих компонентов, которые после их газификации дожигались в камере сгорания в набегающем потоке воздуха.

Недостатком твердых топлив для ПВРД, содержащих в своем составе одновременно горючее и окислитель, являются их низкие по сравнению с ПВРД на жидком горючем и атмосферном воздухе энергетические характеристики, а также повышенная чувствительность к механическим и температурным воздействиям. Другим недостатком является (также из-за тесного контакта между окислителем и горючим) нестабильность при хранении.

Задачей изобретения является улучшение энергетических характеристик и повышение скорости горения топлива.

Для решения поставленной задачи предложена композиция твердого органического горючего, включающая полиолефин, ультрадисперсный порошок металла, которая согласно изобретению дополнительно содержит карборан или его производное при следующем содержании компонентов, мас.%:

Полиолефин	36-95
Ультрадисперсный порошок металла	0,5-50
Карборан или его производное	4-15

В качестве полиолефина берут: полиэтилен, полипропилен, полибутилен, полибутадиен. В качестве производного карборана - фенилкарборан, изопропилкарборан. Из ультрадисперсных порошков металлов предложены порошки бора, алюминия, магния или их смеси.

Способы получения композиций твердого органического горючего приведены в примерах 1-4, состав композиций и результаты испытаний приведены в таблице.

Пример 1.

95% порошкообразного полиэтилена (ПЭ) высокого давления, 4,5% порошка о-карборана и 0,5% порошка бора тщательно перемешивали в барабанном смесителе типа «пьяная бочка». Смесь помещали в пресс-форму, нагревали при температуре 180°С в течение 20 мин, вакуумировали расплав и подвергали его прессованию в пресс-форме в нагретом состоянии под давлением 10 кг/см². Форма самопроизвольно охлаждалась в течение 30 мин. После охлаждения пресс-форму разбирали и получали шашку твердого горючего.

Пример 2.

84,5% порошкообразного ПЭ, 15% порошкообразного о-карборана и 0,5% порошка алюминия перемешивали в смесителе типа «пьяная бочка». Смесь загружали в работающий экструдер с насадкой, позволяющей получать трубообразный заряд горючего с требуемым внутренним и внешним диаметром, и экструдировали при температуре 110-130°С. Получали трубку, которую затем разрезали на участки заданной длины.

Пример 3.

В экструдер загружали с помощью дозирующих устройств одновременно гранулированный полипропилен (ПП) и порошкообразные фенилкарборан (ФК) и бор в массовом соотношении ПП:ФК:бор=80:15:5. Экструзию осуществляли при температуре 150-190°С. Напорным шнеком масса горючего нагнеталась в пресс-форму. После охлаждения и разборки пресс-формы получали заряд твердого горючего с заданными геометрическими параметрами.

Пример 4.

В смесителе типа «пьяной бочки» смешивали поршкообразный ПЭ, порошки бора и фенилкарборана в массовом соотношении ПЭ:В:ФК=50:46:4. Смесь помещали в пресс-форму и нагревали при температуре 180-190°С в течение 20 мин при пониженном давлении. Затем смесь подвергали прессованию. После охлаждения пресс-форму разбирали и получали шашку твердого наполненного бором горючего с заданными внутренним и внешним диаметром. Плотность 1,3 г/см³.

Предложенная композиция твердого горючего на основе ПО обладает достоинствами жидких горючих и твердых топлив и лишена их недостатков. В частности, по энергетическим характеристикам она не уступает жидким углеводородам и в то же время позволяет снизить эксплуатационные издержки, повысить надежность, существенно сократить время запуска, упростить конструкцию двигателя.

Блоки предложенного твердого горючего не содержат окислителя, поэтому они более стабильны при хранении. Они не чувствительны к детонации.

Композиция обеспечивает высокую теплоту сгорания и повышение скорости горения зарядов горючего. Она отличается простотой изготовления зарядов и надежностью эксплуатации двигательного, тягового или управляющего прямоточного исполнительного устройства.

Таблица
№№ п.п.	Наименование компонентов	Количественное содержание компонентов в примерах (мас.%)
Прототип	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1.	Полиэтилен	-	95,0	84,5	-	50,0	36,0	-	50,0	50,0	-	50,0
2.	Полипропилен	-	-	-	80,0	-	-	-	-	-	-	-
3.	Полибутилен	-	-	-	-	-	-	90,0	-	-	-	-
4.	Полибутадиен	35,0	-	-	-	-	-	-	-	-	50,0	-
5.	о-Карборан	-	4,5	15,0	-	-	14,0	-	10,0	10,0	15,0	10,0
6.	о-Фенилкарборан	-	-	-	15,0	4,0	-	-	-	-	-	˜
7.	Изопропил-метакарборан	-	-	-	-	-	-	9,5	-	-	-	-
8.	Бор	45,0	0,5	-	5,0	46,0	-	-	40,0	20,0	35,0	-
9.	Алюминий	-	-	0,5	-	-	50,0	0,5	-	20,0	-	-
10.	Сплав алюминия и магния, ПАМ-4	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	40,0
11.	Окислитель - перхлорат аммония	20,0
Увеличение скорости сгорания, %	-	35	45	40	35	30	35	40	45	30	30
Теплота сгорания. Hu, кДж/кг	39100	45100	46840	46460	51160	39890	41740	55880	40540	51890	39510

Композиция твердого горючего для прямоточных воздушно-реактивных двигателей внешнего и внутреннего дожигания в до-, сверх- или гиперзвуковом воздушном потоке, содержащая полиолефин в качестве горючего и ультрадисперсный порошок металла, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит карборан или его производное фенилкарборан, изопропилкарборан, в качестве полиолефина - полиэтилен, полипропилен, полибутилен, полибутадиен, а в качестве ультрадисперсного порошка металла - порошок бора, алюминия, магния или их смесь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Полиолефин	36-95
Ультрадисперсный порошок металла	0,5-50
Карборан или его производное	4-15