ГОРЮЧЕЕ ДЛЯ ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Российский патент 1999 года по МПК F02K9/00 C06B47/02 

Предлагаемое техническое решение относится к области ракетной техники, а именно - к горючим для жидкостных ракетных двигателей.

Известно применение аммиака NH₃ в качестве горючего для жидкостных ракетных двигателей - см., например, стр.217 в книге "Теория ракетных двигателей" - авторы В.Е.Алемасов, А.Ф.Дрегалин, А.П.Тишин, Москва изд. "Машиностроение", 1980 г. Недостатком этого горючего является невысокий удельный импульс тяги, получаемый при его использовании даже с высокоэффективными криогенными окислителями. Так, например, при использовании в жидкостном ракетном двигателе (ЖРД) в качестве топлива жидкого аммиака и жидкого кислорода получают удельный импульс тяги в пустоте (I_у.п.), равный 3472 м/с (при давлении в камере сгорания (Р_к.), равном 10000 кПа, степени расширения продуктов сгорания (ε), равной 1000, и при коэффициенте избытка окислителя (α_oк), равном 1,0).

Наиболее близким к заявляемому объекту является металлосодержащее горючее, состоящее из жидкого горючего компонента и суспензии или геля лития, бериллия или алюминия - см. стр.222-224 в указанной выше книге. Недостатками такого горючего являются невысокая стабильность, связанная с расслаиванием его составных частей, и сложность его подачи в камеру сгорания.

Целью предлагаемого технического решения является совмещение преимуществ, характерных для известных металлосодержащих горючих, - таких как высокая теплотворная способность и высокий удельный импульс тяги, получаемый при их применении, - с такими положительными особенностями чисто жидких горючих компонентов, как высокая эффективность, простота и надежность их подачи в камеру сгорания ЖРД, низкая вязкость, полное отсутствие опасности засорения магистралей, отсутствие эффекта расслаивания и высокая стабильность состава.

Указанная цель достигается в результате применения раствора лития (Li) в жидком аммиаке (NH₃) в качестве горючего для жидкостных ракетных двигателей.

Известно применение раствора лития в жидком аммиаке в качестве высокоэффективного восстановителя (см. книгу "Современная неорганическая химия" (том 2), Ф.Коттон, Дж.Уилкинсон, М. изд. "Мир", 1969г., стр.166), а также в качестве среды для осуществления разнообразных химических реакций и получения на этой основе различных органических и неорганических соединений (см. книгу "Курс неорганической химии" (том II), Г.Реми, М., изд. "Мир", 1974г., стр.715).

Раствор лития в жидком аммиаке существует при нормальном атмосферном давлении не только в области температур существования жидкого аммиака (от -77,8^oС до -33,4^oС,), но и при температурах от -33,4^oС до температуры плавления лития (+180,54^oС), а также в диапазоне температур от -77,8^oС до -183^oС. При температуре, равной -33,4^oС, в аммиаке растворяется примерно 15% (мольных) лития. С повышением температуры растворимость лития в NH₃ быстро возрастает и становится бесконечно большой при температуре плавления щелочного металла (при этом литий смешивается с аммиаком в любых отношениях). Аммиак из концентрированных растворов испаряется, медленно, так как давление его насыщенных паров стремится к нулю при увеличении концентрации металла. (Удельный вес концентрированного раствора лития в жидком аммиаке при +20^oС равен 0,48 г/см³).

В предлагаемом горючем концентрация лития может задаваться (меняться) в широких пределах - от долей процента (по массе) до практически 100%. Поэтому указывать предельные значения минимальной и максимальной концентрации лития в его растворе в аммиаке нецелесообразно, так как диапазон возможных рабочих концентраций равен практически ста процентам. Следует, однако, отметить, что наиболее целесообразно, естественно, применение в качестве горючего концентрированных растворов. Как отмечается выше, растворимость лития в аммиаке существенно зависит от температуры, поэтому характерной особенностью предлагаемого горючего является достаточно широкий рабочий температурный диапазон - от примерно минус 40^oС до плюс 60 - 90^oС.

Если в предлагаемом горючем концентрация лития равна 30 - 70% (мольных), то в ЖРД возможен режим горения лития и термического разложения аммиака (без горения водорода), что обеспечивает существенное уменьшение средней молекулярной массы продуктов сгорания и, следовательно, дополнительное увеличение удельного импульса тяги. Для увеличения эффективности указанного процесса в состав одного из компонентов может вводиться дополнительно катализатор для каталического разложения (в камере сгорания и/или в сопле) аммиака в количестве, равном нескольким десятым доли процента от массы аммиака в предлагаемом горючем. Этот катализатор может либо входить в состав выбранного компонента, либо вводиться в его состав непосредственно перед его поступлением (подачей) в камеру сгорания.

В качестве такого катализатора могут быть использованы, например, вещества, используемые для каталитического разложения гидразина или для синтеза аммиака.

Следует отметить, что использование в качестве горючего чистого (со 100% концентрацией) лития требует либо решения проблемы его подачи в камеру сгорания в твердом виде (например, в виде порошка), либо решения проблемы его хранения и подачи в камеру сгорания в расплавленном состоянии при температуре +190 - 200^oС. Вероятность положительного решения этих 2-х проблем представляется крайне незначительной, поэтому использование раствора лития в аммиаке является, вероятно, достаточно близким к оптимальному решением проблемы создания эффективного металлосодержащего горючего для ЖРД.

Оценка величины удельного импульса тяги, который может быть получен при использовании предлагаемого горючего (без учета изменения энтальпии при образовании раствора), показывает, что применение раствора лития в аммиаке в качестве горючего для ЖРД позволяет существенно - до 10 - 15% - увеличить удельный импульс тяги двигателя по сравнению с удельным импульсом тяги, получаемым при использовании в качестве горючего аммиака (окислитель при этом используется один и тот же). В качестве окислителя вместе с предлагаемым горючим могут использоваться практически все известные окислители - как криогенные, так и не криогенные, например, O₂, F₂, OF₂, NF₃, N₂F₄, ClF₅ и др.

В приципе, при определенных условиях в качестве горючего для ЖРД или иных двигателей (например для ПВРД, ТРД и т.п.) могут быть использованы растворы в аммиаке и иных щелочных или щелочноземельных элементов, а также их смеси.

Итак, предлагаемое металлосодержащее горючее позволяет не только увеличить удельный импульс тяги, но и обеспечивает получение эксплуатационных характеристик, свойственных обычным жидким горючим, - простоты и надежности их подачи в камеру сгорания, низкой вязкости, отсутствия опасности засорения магистралей и форсунок, что определяется стабильностью состава и отсутствием опасности расслоения компонента.

Горючее может быть использовано в жидкостных ракетных двигателях. В качестве горючего применен раствор лития в аммиаке. Это горючее имеет преимущества, характерные для известных металлосодержащих горючих, такие, как высокая теплотворная способность и высокий удельный импульс тяги, получаемый при их применении. А кроме того это горючее имеет такие положительные особенности чисто жидких горючих, как высокая простота, надежность и эффективность их подачи в камеру сгорания, низкая вязкость, полное отсутствие опасности засорения магистралей и форсунок (при отсутствии примесей), отсутствие эффекта расслаивания и высокая стабильность состава.

Применение раствора лития в аммиаке в качестве горючего для жидкостных ракетных двигателей.