ТВЕРДОЕ РАКЕТНОЕ ТОПЛИВО Российский патент 2004 года по МПК C06B25/12 C06B25/34 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°С), которые могут применяться в различных ракетных системах, например, на первых ступенях баллистических ракет, также противоракетной, противовоздушной обороны, ракетных систем залпового огня и другого назначения.

Известно ТРТ (патент США №5045132, МКИ⁵ С 06 В 45/10, опубл. 03.09.91), содержащее, мас.%:

1,9-динитро-2,4,6,8-тетранитразанонан 70

Алифатический полиэфир с концевыми гидроксильными

группами 10

Триметилолэтантринитрат или 4,4,4-

тринитронитробутилнитрат 20

Это топливо имеет недостаточно высокий уровень энергических характеристик (I_sp=261...265 кгс·с/кг при Р_к/Р_а=40/1), пониженную термическую стабильность.

Известно ТРТ (патент США №3896865, опубл. 21.01.74), 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_sр=259,8 кгс·с/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.

Известно также топливо (патент США №4961380, МКИ С 06 D5/06, опубл. 09.10.90) на основе перхлората аммония, октогена, алюминия дисперсного, глицидилазидного полимера, пластификаторов - смеси 1,5-динитрата-3-нитроазапентана и 1,5-диазидо-3-нитроазопентана). Топливо имеет высокий единичный импульс (I_sp=271,l кгс·с/кг, при Р_к/Р_а=40/1), но имеет повышенную чувствительность к влаге, что снижает воспроизводимость основных характеристик топлива.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и получаемому результату является ТРТ (патент РФ №2183608, опубл. 20.06.2002), содержащее, мас.%:

Нитроизобутилтринитратглицерин или тетранитрометан 11,22-25,10

Полибутадиеннитрильный или полиуретановый каучук 2,05-5,90

Циклотетраметилентетранитроамин, или

гексанитрогексаазаадамантан, или

гексанитрогексаазаизовюрцитан 57,50-84,80

Алюминий дисперсный 0,07-20,00

Технологические добавки 1,50-2,00

Существенным недостатком этого топлива является недостаточно высокий уровень энергетических характеристик (расчетный единичный импульс I_sp=248,83...263,58 кгс·с/кг, при Р_к/Р_а=40/1).

При создании изобретения ставилась задача разработки ТРТ малодымного (бесхлорного), с высокими импульсом и плотностью, с продуктами сгорания, не склонными к повторному воспламенению в окружающем воздухе, эксплуатации в широком температурном диапазоне.

Задача решается за счет того, что известный состав твердого ракетного топлива, содержащий пластификатор - нитроизобутилтринитратглицерин, окислитель, горючее, высокомолекулярное связующее - полибутадиеннитрильный или полиуретановый каучук и технологические добавки, в качестве окислителя содержит циклотетраметилентетранитроамин или гексанитрогексаадаизовюрцитан, и/или гексанитрогексаазаадамантан, и/или аммонийдинитроамид, в качестве горючего - алюминий дисперсный и гидрид алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Нитроизобутилтринитратглицерин 11,25-26,78

Полибутадиеннитрильный или

полиуретановый каучук 2,25-4,72

Циклотетраметилентетранитроамин или

гексанитрогексаазаизовюрцитан, и/или

гексанитрогексаазаадамантан, и/или

аммонийдинитроамид 35-58

Алюминий дисперсный 0,01-9,00

Гидрид алюминия 6,00-27,00

Технологические добавки 1,49-1,99

Для приготовления предлагаемого ТРТ используют:

- циклотетраметилентетранитроамин [ОСТ В81-1509-77], аммонийдинитроамид [ТУ 84-754-78], гексанитрогексаазаизовюрцитан (GL-20 USA), гексанитрогексаазаадамантан [американская корпорация "Мортон Тиокол"];

- полибутадиеннитрильный каучук СКН-40 [ГОСТ 738-65] или полиуретановый каучук СКУ-90 [ТУ 38.403557-87];

- алюминий дисперсный [ОСТ В 84-1841];

- гидрид алюминия [ТУ 6-02-881];

- 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°C, температура вспышки t=243°C, удовлетворительная химическая стойкость, менее летуч, чем нитроглицерин), превосходит по мощности (теплоте взрывчатого превращения) нитроглицерин на 7%:

Это соединение является мощным бризантным взрывчатым веществом. Энергетически активный пластификатор нитроизобутилтринитратглицерин взаиморастворяется с высокомолекулярными связующими повышенной полярности - полибутадиеннитрильным каучуком СКН-40 или полиуретановым каучуком СКУ-90 - в широком температурном диапазоне эксплуатации (+50...-50°С).

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

Пример 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 гексанитрогексаазаизовюрцитана, поэтому предельное наполнение по компонентам рассмотрим на примере использования в качестве окислителя гексанитрогексаазаизовюрцитана. Из примера состава 19 таблицы видно, что значение I_sp ниже значения прототипа, то есть, если дозировать гексанитрогексаазаизовюрцитана ниже указанных пределов, то получим значение I_sp ниже, чем в прототипе, а если взять гексанитрогексаазаизовюрцитана 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 гексанитрогексаазаизовюрцитана брать нецелесообразно.

Из примеров 2, 3, 4, 6-18 следует, что применение нитроизобутилтринитратглицерина 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/или гексанитрогексаазаизовюрцитана и/или гексанитрогексаазаадамантана и/или аммонийдинитроамида) существенно увеличить значения расчетного удельного импульса.

Гидрид алюминия приводит к оптимизации компонентного состава, заключающейся в увеличении содержания водорода и повышении импульса.

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, 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. Кроме того, использование предлагаемого бесхлорного ТРТ предпочтительнее с экологической точки зрения.

Изобретение относится к твердым ракетным топливам. Преложено твердое ракетное топливо, содержащее пластификатор -нитроизобутилтринитратглицерин, окислитель циклотетраметилентетранитроамин или гексанитрогексаазаизовюрцитан, и/или гексанитрогексаазаадамантан, и/или аммонийдинитроамид, горючее - алюминий дисперсный и гидрид алюминия, высокомолекулярное связующее - полибутадиеннитрильный или полиуретановый каучук и технологические добавки. Изобретение направлено на создание малодымного твердого ракетного топлива с высоким импульсом и плотностью, низкой чувствительностью к механическим воздействиям, термической стабильностью и температурным диапазоном эксплуатации + 50...-50°С. 1 табл.

Твердое ракетное топливо, содержащее пластификатор -нитроизобутилтринитратглицерин, окислитель, горючее, высокомолекулярное связующее - полибутадиеннитрильный или полиуретановый каучук и технологические добавки, отличающееся тем, что в качестве окислителя оно содержит циклотетраметилентетранитроамин или гексанитрогексаазаизовюрцитан, и/или гексанитрогексаазаадамантан, и/или аммонийдинитроамид, в качестве горючего - алюминий дисперсный и гидрид алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Нитроизобутилтринитратглицерин 11,25-26,78

Полибутадиеннитрильный или

полиуретановый каучук 2,25-4,72

Циклотетраметилентетранитроамин или

гексанитрогексаазаизовюрцитан, и/или

гексанитрогексаазаадамантан, и/или

аммонийдинитроамид 35-58

Алюминий дисперсный 0,01-9,00

Гидрид алюминия 6,00-27,00

Технологические добавки 1,49-1,99