Ракетное топливо или взрывчатое вещество и способ его приготовления (варианты)

Изобретение относится к вариантам ракетного топлива для твердотопливных и гибридных ракетных двигателей. Ракетное топливо содержит нитросоединение, например нитроформ, которое находится в нем в связанном соединении с непредельными углеводородами (нитроэтилен, этилен, стирол, пропилен, нитропропилен, нитрил акриловой кислоты, диацетилен) с помощью реакции Михаэля. В качестве окислителя топливо содержит, например, динитрамид аммония. В другом варианте нитроформ в ракетном топливе находится растворенным в жидком аммиаке. Ракетное топливо может содержать соединение бора, например декаборан, диборан, пентаборан. 2 н. и 6 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к ракетным топливам для твердотопливных и гибридных ракетных двигателей, а также к взрывчатым веществам (далее ВВ).

Известны ракетные топлива, см., например, пат. №2424279 «Горючее», состоящие наполовину из ацетилена и этилена, что позволяет использовать ацетилен в растворенным, то есть в жидком криогенном виде.

Как известно, хорошим окислителем для любого ракетного горючего мог бы быть тринитрометан (нитроформ). Однако он имеет узкие пределы жидкой фазы, склонен к саморазложению при температуре 13-25 °С (по разным данным), взрывоопасен и самопроизвольно полимеризуется, что при долгом его хранении в баке сделает невозможным его использование.

ВАРИАНТ 1. Данное топливо или ВВ (зависит от способа зажигания и объема сжигания) содержит нитроформ и стехиометрическое по кислороду или избыточное количество других органических соединений, имеющих между атомами углерода двойную или тройную связь. Нитроформ вступает с ними, например, в реакцию Михаэля с образованием более высокомолекулярного соединения. Особенно подходит для этой цели нитроэтилен, так как он хорошо полимеризуется с нитроформом в соотношении молекул 1:1, и в отношении кислорода реагирует с ним стехиометрически. Возможны соединения нитроформа и этилена, стирола, пропилена, нитропропилена, нитрила акриловой кислоты, диацетилена, и т.п. Результат достижим с любым из альтернативных компонентов, так как все эти вещества обладают двойными или тройными связями, которые способны образовывать полимеры. Рассмотрим реакцию Михаэля между нитроформом и нитроэтиленом:

CH(NO2)3+CH2CHNO2=(NO2)3CCH2CH2NO2 /1/

Образовавшееся с нитроэтиленом соединение назовем для краткости ТНН. Оно без остатка разлагается на воду, углекислый газ и азот. Последний может прореагировать при температуре 800-1000 °С с хорошим тепловыделением с бором (добавка чистого бора к ракетному топливу или взрывчатому веществу, содержащему связанный азот, сопровождается тепловыделением 23,37 мДж/кг на единицу бора) или его соединениями, например с декабораном.

Пример 1

5((NO2)3CCH2CH2NO2)+2B10H14=15СO2+10Н2О+20BN+14Н2 /2/

То есть соотношение компонентов: ТНН - 90.17%±9%, декаборан - 9,83%±9%.

Как видно, в образовавшихся газах находится 35,9% водорода, что значительно повышает скорость звука в продуктах сгорания и вызывает повышенный импульс ракетного двигателя или повышенное бризантное и зажигательное действие ВВ.

Если смесь содержит избыточное количество горючего, то она может содержать в нужном количестве твердые окислители, например динитрамид аммония.

Так как и нитроформ, и нитроэтилен (и, кстати, диацетилен) склонны к самополимеризации, то в стабильном состоянии такое топливо или ВВ может быть практически использовано только в полимеризованном виде. Для того чтобы предотвратить саморазложение нитроформа при полимеризации, процесс должен происходить методом радиационной полимеризации и с отводом тепла, чтобы нитроформ не достиг температуры разложения. В результате получится сополимер нитроформа с, например, нитроэтиленом. Добавочные вещества (декаборан, боргидрид бериллия, динитрамид аммония и др.) должны добавляться в смесь до процесса полимеризации.

ВАРИАНТ 2. Нитроформ неограниченно растворяется в жидком аммиаке, который является неплохим ракетным топливом. В растворенном виде нитроформ более устойчив и менее взрывоопасен. Таким образом, возможна композиция «окислитель плюс горючее» в одном баке. Эта же композиция при подрыве детонатором может служить ВВ. Для вспомогательной реакции азота с бором жидкостный двигатель может иметь второй бак с жидким соединением бора. Или же гибридный двигатель может иметь в камере сгорания твердый бор или его твердые соединения (декаборан, боргидрид бериллия, бориды металлов и т.п.).

Пример 2

Соотношение нитроформа и жидкого аммиака может быть таким, чтобы обеспечивалось полное реагирование кислорода нитроформа с водородом аммиака, плюс к этому желательно участие в реакции бора или его соединений, то есть:

3CH(NO2)3+7NH3+8 В2Н6=16BN+3СO2+12Н2O+24Н2 /3/

Как видно, в этом случае выделяется в выхлопных газах по объему 61,5% водорода, что резко увеличивает скорость звука в этом газе. Соотношение компонентов в этой реакции: нитроформ - 57,09%±15%, аммиак -15,02%±15%, диборан 27,89%±15%.

Ожидаемое минимальное безопасное соотношение молекул нитроформа и аммиака -1:1. В этом случае реакция пойдет так:

3CH(NO2)3+3NH3+2В6Н10=12BN+3СO2+12Н2O+4Н2 /4/

Как видно, водорода в выхлопных газах значительно меньше - 21%. Соотношение компонентов: нитроформ - 69,27%±15%, аммиак - 7,81%±7%, диборан - 22,91%±15%.

Более рискованной, но все же практически применимой выглядит реакция с почти стехиометрическим соотношением реагентов:

2CH(NO2)3+NH3+В2Н6+В5Н9=7BN+2СO2+8Н2O+2Н2 /5/

Или со стехиометрическим соотношением:

3CH(NO2)3+NH3+2 В5Н9=10BN+3СO2+12Н2O /6/

Соотношение компонентов в реакции /5/: нитроформ - 69,03%±15%, аммиак - 3,89%±3%, диборан - 12,65%±12%, пентаборан В5Н9 - 14,43%±14%. Выделившегося водорода - 16,7% по объему.

Соотношение компонентов в реакции /6/: нитроформ - 75,97%±15%, аммиак - 2,86%±2%, пентаборан В5Н9 - 21,17%±15%. Выделившегося водорода нет.

При наличии в составе топлива других соединений бора - карбида бора или боридов металлов, они в присутствии кислорода разлагаются при высокой температуре с образование окислов углерода или металлов соответственно. То есть результат достижим при любом сочетании основного и альтернативных признаков.

1. Ракетное топливо, содержащее нитросоединения и отличающееся тем, что нитроформ находится в нем в связанном соединении с помощью реакции Михаэля с непредельными углеводородами, и/или нитроэтиленом, и/или этиленом, и/или стиролом, и/или пропиленом, и/или нитропропиленом, или нитрилом акриловой кислоты, и/или диацетиленом.

2. Топливо по п.1, отличающееся тем, что содержит в стехиометрическом по кислороду количестве твердые окислители, например динитрамид аммония.

3. Топливо по п.1, отличающееся тем, что содержит продукт реакции Михаэля между нитроформом и нитроэтиленом в соотношении молекул 1:1 в количестве 90,17%±9% и дополнительно содержит декаборан в количестве 9,83%±9%.

4. Ракетное топливо, содержащее нитросоединения и отличающееся тем, что нитроформ находится в нем в растворенном в жидком аммиаке виде, причем аммиак является горючим веществом.

5. Топливо по п.4, отличающееся тем, что соотношение компонентов: нитроформ - 57,09%±15%, аммиак - 15,02%±15%, диборан 27,89%±15%.

6. Топливо по п.4, отличающееся тем, что соотношение компонентов: нитроформ - 69,27%±15%, аммиак - 7,81%±7%, диборан - 22,91%±15%.

7. Топливо по п.4, отличающееся тем, что соотношение компонентов: нитроформ - 69,03%±15%, аммиак - 3,89%±3%, диборан - 12,65%±12%, пентаборан B5H9 - 14,43%±14%.

8. Топливо по п.4, отличающееся тем, что соотношение компонентов: нитроформ - 75,97%±15%, аммиак - 2,86%±2%, пентаборан B5H9 - 21,17%±15%.