ТВЕРДОЕ РАКЕТНОЕ ТОПЛИВО Российский патент 2002 года по МПК C06B25/12 C06D5/06 

Изобретение относится к области специальной технической химии, а именно к созданию малодымных (бесхлорных) высокоэнергетических твердых ракетных топлив (ТРТ), эксплуатируемых в широком температурном диапазоне (-50...+50^oС), которые могут применяться в различных ракетных системах, например противоракетной, противовоздушной обороны, ракетных систем залпового огня и другого назначения.

Известно ТРТ (патент США 3896865, опубл. 21.01.74 г.), содержащее, мас. %:
α-гидро-ω-гидроксиполи-(оксиметиленнитрамин) - 19,20
Гексаметилендиизоцианат - 3,80
Алюминий - 12,00
Циклотетраметилентетранитроамин - 65,00
Это малодымное (бесхлорное) ТРТ имеет существенный недостаток - недостаточно высокий уровень энергетических характеристик (удельный импульс I_sp= 259,8 кгсхс/кг, при Р_к/Р_а=40/1), а также низкую стойкость в кислых средах. Кроме того, для продуктов сгорания этого топлива характерно повторное воспламенение в окружающем воздухе.

Известен также состав ТРТ (патент США 3265543 от 28.06.62 г.), содержащий, мас.%:
Поликарбонилпирамидин - 5,00
Нитроглицерин - 5,00
Алюминий - 20,70
Перхлорат аммония - 69,30
Это ТРТ имеет следующие существенные недостатки - недостаточно высокий уровень энергетических характеристик (удельный импульс I_sp=253,92 кгсхс/кг, при Р_к/Ра=40/1), только положительную область температур при эксплуатации и повышенную дымность из-за использования перхлорат аммония. Для продуктов сгорания этого топлива характерно повторное воспламенение в окружающем воздухе.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и получаемому результату является ТРТ (патент США 4482404, опубл. 13.11.84 г.), содержащее, мас.%:
Циклотетраметилентетранитраамин, перхлорат аммония и другие окислители - 75,00
Полиэфирная смола, полиуретаны и другие связующие - 10,00
Алюминий - Может быть
Азид-нитраминный эфир, например бис-(2-азидо-этоксиметил)-нитрамин, (MNDA, USA) - 15,00
Существенным недостатком этого хлорсодержащего топлива является повышенная дымность, невысокий уровень энергетических характеристик (расчетный удельный импульс I_sp≈250,0 кгсхс/кг, при Р_к/Р_а=40/1 и плотность ρ = 1,75 г/см³), а также недостаточная термическая, гидролитическая стабильность и высокая чувствительность к механическим воздействиям, связанные с использованием азид-нитраминных эфиров. Продукты сгорания этого топлива также повторно воспламеняются в окружающем воздухе.

При создании изобретения ставилась задача разработки малодымного (бесхлорного) высокоэнергетического ТРТ с продуктами сгорания, не склонными к повторному воспламенению в окружающем воздухе.

Решение поставленной задачи достигается тем, что известный состав ТРТ, включающий пластификатор, окислитель - циклотетраметилентетранитроамин, горючее - алюминий дисперсный и высокомолекулярное связующее, в качестве пластификатора содержит нитроизобутилтринитратглицерин или тетранитрометан, в качестве связующего - полибутадиеннитрильный каучук или полиуретановый каучук, в качестве окислителя -циклотетраметилентетранитроамин или гексанитрогексаазоизовюрцитан, или гексанитрогексаазоадамантан при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Нитроизобутилтринитратглицерин или тетранитрометан - 11,22-25,10
Полибутадиеннитрильный или полиуретановый каучук - 2,05-5,90
Циклотетраметилентетранитроамин или гексанитрогексаазоизовюрцитан, или гексанитрогексаазоадамантан - 57,50-84,80
Алюминий дисперсный - 0,07-20,00
Технологические добавки - 1,50-2,00
Для приготовления предлагаемого ТРТ используют:
-циклотетраметилентетранитроамин [ОСТ В84-1509-77] , гексанитрогексаазоадамантан или гексанитрогексаазоизовюрцитан (GL-20 USA) [американская корпорация "Мортон Тиокол"];
-полибутадиеннитрильный каучук СКН-40 [ГОСТ 738-65] или полиуретановый каучук СКУ-90 [ТУ 38.403557-87];
-алюминий дисперсный [ОСТ В84-1841];
-нитроизобутилтринитратглицерин [Е. Ю. Орлова. Химия и технология бризантных взрывчатых веществ. Л.: Химия. 1973; Л.М. Козлов, В.Н. Бурмистров. Нитроспирты и их производные. КХТИ им. С.М. Кирова, Казань, 1960] или тетранитрометан [Е.Ю. Орлова. Химия и технология бризантных взрывчатых веществ. Л. : Химия. 1973; Я.М. Паушкин. Химический состав и свойства реактивных топлив. М.: АН СССР. 1958. 376 с.];
-в качестве технологических добавок могут использоваться отвердители (сера [ГОСТ 127-64], МnO₂ [ТУ 6-09-01-718-87] и т.п.), поверхностно-активные вещества (например, лецитин) и др. Добавки вводятся в зависимости от требований к топливному составу для конкретного ракетного двигателя.

Нитроизобутилтринитратглицерин - тяжелая маслянистая жидкость (ρ = 1,68 г/см³, температура замерзания (стеклования) t≤-35^oС, температура вспышки t= 243^oС, удовлетворительная химическая стойкость, менее летуч, чем нитроглицерин), превосходит по мощности (теплоте взрывчатого превращения) нитроглицерин на 7%:

Это соединение является мощным бризантным взрывчатым веществом.

Тетранитрометан - тяжелая (ρ = 1,64 г/см³), бесцветная жидкость, температура замерзания (стеклования) t≤14^oС, температура кипения t=125,7^oС:

Тетранитрометан - негигроскопичен, хорошо совместим с полярными органическими веществами, например с тринитротолуолом. Является слабым бризантным взрывчатым веществом с высоком кислородным балансом. Тетранитрометан малочувствителен к удару и трению.

Оба энергетически активных пластификатора (нитроизобутилтринитратглицерин и тетранитрометан) взаиморастворяются с высокомолекулярными связующими повышенной полярности - полибутадиеннитрильным каучуком СКН-40 или полиуретановым каучуком СКУ-90 - в широком температурном диапазоне эксплуатации (+50...-50^oС).

Ракетное топливо готовят следующим образом. Связующее смешивают с пластификатором, добавляют дисперсный алюминий, окислитель и технологическую добавку (например, отвердитель) и перемешивают в смесителе при температуре t= 40...45^oС в течение 1,5...2 ч, далее отверждают при температуре t=40^oС в течение 240...360 ч.

Примеры конкретного выполнения ТРТ.

В таблице приведены примеры конкретных составов заявляемого топлива и состава по прототипу. Там же представлены энергетические характеристики этих составов: удельный расчетный импульс, плотность, объемный расчетный импульс. Все предельные значения компонентов заявляемого топлива находятся в непосредственной зависимости от заявленных пределов любого из окислителей, например циклотетраметилентетранитроамина, поэтому предельное наполнение по компонентам рассмотрим на примере использования в качестве окислителя циклотетраметилентетранитроамина. Из примера состава 5 таблицы видно, что значение I_sp ниже значения прототипа, то есть, если дозировать циклотетраметилентетранитроамин ниже указанных пределов, то получим значение I_sp ниже, чем в прототипе, а если взять циклотетраметилентетранитроамин выше заявленного предела, то ТРТ не будет обладать приемлемыми реологическими характеристиками из-за высокой степени объемного наполнения связующего твердыми частицами окислителя. То есть, выше и ниже указанных пределов циклотетраметилентетранитраамин брать нецелесообразно.

Из примеров 1, 2, 3, 4, 6...19 следует, что применение нитроизобутилтринитратглицерина или тетранитрометана в качестве энергетически активного жидкого высокоплотного пластификатора высокомолекулярного полимерного связующего повышенной полярности в составе малодымного (бесхлорного) твердого ракетного топлива позволяет (как на основе циклотетраметилентетранитроамина, так и гексанитрогексаазаизовюрцитана или гексанитрогексаазаадамантана) существенно увеличить значения расчетного удельного импульса, плотности, а также объемного расчетного импульса (I_v= I_sp×ρ) соответствующих зарядов ракетных двигателей. В примерах 3 и 4 удельный расчетный импульс несколько ниже, чем в прототипе, однако по плотности и объемному импульсу превосходит последний.

Таким образом, предлагаемое топливо является малодымным ввиду отсутствия в нем хлорсодержащего компонента и высокоэнергетическим. Предлагаемое ТРТ дает продукты сгорания, не воспламеняющиеся повторно в окружающем воздухе, что повышает надежность работы лазерной системы наведения и отсутствие помпажа двигателя авиационного носителя. Это объясняется использованием в составе топлива компонентов с повышенным кислородным балансом, а именно нитроизобутилтринитратглицерина или тетранитрометана, способствующих более полному окислению горючих компонентов. Предлагаемое топливо обладает высокой стойкостью в кислых средах, широким температурным диапазоном эксплуатации, достаточными термической, гидролитической стабильностью и низкой чувствительностью к механическим воздействиям, связанным с использованием в составе топлива нитроизобутилтринитратглицерина или тетранитрометана. Кроме того, использование предлагаемого бесхлорного ТРТ предпочтительнее с экологической точки зрения.

Изобретение относится к созданию малодымных (бесхлорных) высокоэнергетических твердых ракетных топлив (ТРТ), эксплуатируемых в широком температурном диапазоне (-50...+50^oС), которые могут применяться в различных ракетных системах (противоракетной, противовоздушной обороны, ракетных систем залпового огня и другого назначения). Твердое ракетное топливо включает в себя пластификатор - нитроизобутилтринитратглицерин или тетраниитрометан, окислитель - циклотетраметилентетранитроамин или гексанитрогексаазоизовюрцитан или гексанитрогексаазоадамантан, горючее - алюминий дисперсный и высокомолекулярное связующее - полибутадиеннитрильный каучук или полиуретановый каучук при следующем соотношении компонентов, мас.%: нитроизобутилтринитратглицерин или тетранитрометан 1,22-25,10; полибутадиеннитрильный или полиуретановый каучук 2,05-5,90; циклотетраметилентетранитроамин, гексанитрогексаазоизовюрцитан или гексанитрогексаазоадамантан 57,50-84,80; алюминий дисперсный 0,07-20,00; технологические добавки 1,50-2,00. В качестве технологических добавок могут использоваться отвердители, поверхностно-активные вещества и другие вещества. Добавки вводятся в зависимости от требований к топливному составу для конкретного ракетного двигателя. Предложенное топливо обладает высокой стойкостью в кислых средах, широким температурным диапазоном эксплуатации, достаточными термической, гидролитической стабильностью и низкой чувствительностью к механическим воздействиям, использование бесхлорного ТРТ предпочтительнее с экологической точки зрения. 1 табл.

Твердое ракетное топливо, содержащее пластификатор, окислитель, горючее - алюминий дисперсный, высокомолекулярное связующее и технологическое добавки, отличающееся тем, что в качестве пластификатора оно содержит нитроизобутилтринитратглицерин или тетранитрометан, в качестве связующего - полибутадиеннитрильный каучук или полиуретановый каучук, в качестве окислителя - циклотетраметилентетранитроамин, или гексанитрогексаазоизовюрцитан, или гексанитрогексаазоадамантан при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Нитроизобутилтринитратглицерин или тетранитрометан - 11,22-25,10
Полибутадиеннитрильный или полиуретановый каучук - 2,05-5,90
Циклотетраметилентетранитроамин, или гексанитрогексаазоизовюрцитан, или гексанитрогексаазоадамантан - 57,50-84,80
Алюминий дисперсный - 0,07-20,00
Технологические добавки - 1,50-2,00