ТВЕРДОЕ РАКЕТНОЕ ТОПЛИВО Российский патент 2005 года по МПК C06D5/06 C06B45/10 

Изобретение относится к области создания твердых ракетных топлив, эксплуатируемых в широком температурном диапазоне, которые могут применяться в различных ракетных системах в виде прочно скрепленных с корпусом ракетного двигателя зарядов. В настоящее время имеется ряд смесевых твердых ракетных топлив, созданных на основе полидивинилизопренового каучука, перхлората аммония (ПХА) и металлического горючего (алюминий дисперсный).

Компонентный состав этих топлив позволяет получить композиции с уровнем скорости горения от 6,0 до 45 мм/с при Р=100 кгс/см² и t=20°C и возможность эксплуатации конструкций в диапазоне от минус 60 до 74°С. К недостаткам указанных топлив можно отнести длительный цикл полимеризации изделий (12-15 суток при температуре 80°С), невысокий уровень критических деформаций. Последнее устраняется в значительной степени изобретением по патенту RU 2170722 С1. Это топливо и принято в качестве прототипа для предлагаемого изобретения. Компонентный состав его и некоторые характеристики приведены в таблице. Композиция по патенту RU 2170722 С1 является наиболее близкой к заявляемому объекту по составу компонентов и ряду свойств.

Топливо имеет относительно малое время полимеризации при температуре 80°С (˜60-70 часов) и хорошие эластические свойства в широком температурном диапазоне (-60°-70°C). К недостаткам топлива-прототипа можно отнести узкий предел регулирования скорости горения (12-16 мм/с при 20°С и 100 кгс/см²). Изменение уровня скорости горения достигнуто изменением содержания железосодержащего катализатора скорости горения от 0 до 1,5 вес.%.

Однако для ряда изделий требуются топливные составы с более высоким уровнем скорости горения (до 25 мм/с при 20°С и давлении 100 кгс/см²) и улучшенными эластичными свойствами при положительных температурах. Кроме этого для обеспечения энергосберегающих технологий и производства зарядов желательно дальнейшее снижение времени полимеризации топлива до 15-30 часов.

Уровень скорости горения 25 мм/с может быть достигнут лишь при введении в состав топлива катализатора не менее 3,4 вес.%. Однако введение в состав топлива железосодержащего катализатора в количестве более 3 вес.%, который одновременно является пластификатором, приводит к изменению характеристик клеевого шва между топливным блоком и ЗКС корпуса в результате его миграции из топлива в ЗКС в процессе хранения, что может соответственно привести к изменению баллистических характеристик ракетного двигателя. Для предотвращения этого требуется принятие специальных мер, например, установки между топливным блоком и ЗКС экрана из алюминиевой фольги. Кроме этого, увеличение содержания катализатора приводит к снижению расчетного единичного импульса, что снижает эффективность ракетного двигателя, и увеличению рецептурной стоимости состава.

Технической задачей настоящего изобретения является создание на основе перхлората аммония, дисперсного алюминия и пластифицированного полидивинилизопренового каучука с концевыми эпоксидными группами, отверждаемого смесью полибутадиенового каучука с концевыми карбоксильными группами и ароматического амина (анилина) в присутствии катализаторов отверждения при содержании железосодержащего катализатора не более 2,5% топливной композиции с уровнем скорости горения до 25 мм/с при Р=100 кгс/см² и t=20°C, времени полимеризации не более 30 часов при t=80°C, высокими эластическими характеристиками при положительных температурах и сохранением характеристик клеевого шва в процессе хранения без дополнительных мер по их обеспечению.

Задача решается за счет того, что твердое ракетное топливо, включающее перхлорат аммония, алюминий дисперсный, полидивинилизопреновый каучук с концевыми эпоксидными группами, полибутадиеновый каучук с концевыми карбоксильными группами, ароматический амин-анилин катализатор отверждения, железосодержащий катализатор скорости горения и пластификаторы, дополнительно содержит тонкодисперсный модифицированный хлорнокислый аммоний с сорбированным на его поверхности продуктом взаимодействия метилтрихлорсилана и воды, а в качестве полидивинилизопренового каучука с концевыми эпоксидными группами оно содержит полидивинилизопренуретановый каучук с концевыми эпоксидными группами при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Тонкодисперсный модифицированный  хлорнокислый аммоний с сорбированным на его поверхности продуктом взаимодействия метилтрихлорсилана и воды13,0-22,75Алюминий дисперсный18,0-20,0Полидивинилизопренуретановый каучук с концевыми эпоксидными группами8,5-8,97Полибутадиеновый каучук с концевыми карбоксильными группами0,63-0,73Анилин0,06-0,11Пластификаторы3,76-5,62Железосодержащий катализатор скорости горения0,5-2,5Катализатор отверждения0,12-0,2Перхлорат аммонияостальное

Варианты топливных композиций, их основные свойства, а также состав и свойства топлива-прототипа (один из вариантов) приведены в таблице.

Из таблицы видно, что, используя в составе предлагаемого топлива тонкодисперсный модифицированный хлорно-кислый аммоний с сорбированным продуктом взаимодействия воды и метилтрихлорсилана соответствующего количества, позволяет получить при умеренном содержании катализатора-пластификатора скорости горения уровень скорости горения при 100 кгс/см² и 20°С около 25 мм/с. При этом сокращается время полимеризации топливной массы до 15-30 часов, несколько увеличивается эластичность топлива при положительных температурах и сохраняются характеристики клеевого шва.

Дисперсность модифицированного хлорно-кислого аммония характеризуется удельной поверхностью, находящейся в пределах 7000-8500 см²/г, что соответствует среднемассовому размеру частиц 3,8-4,4 мкм. Толщина пленки сорбированного продукта на поверхности хлорно-кислого аммония определяется величиной молекул, образующихся при реакции воды и метилтрихлорсилана, и составляет 5,5-6,6 А⁰. Без модификации поверхности измельченных частиц в процессе измельчения хлорно-кислого аммония невозможно достигнуть упомянутой дисперсности частиц из-за их агрегирования (Ермилов П.И. «Диспергирование пигментов». М., Химия, 1971 г., стр.40-48).

Отсюда следует, что невозможно будет обеспечить требуемый уровень скорости горения при ограничении (<2,5 вес.%) содержания катализатора-пластификатора скорости горения.

Кроме этого, при взаимодействии сорбированного на поверхности частиц продукта с компонентами системы отверждения достигается дополнительный эффект ускорения отверждения. Этот эффект отсутствует при использовании хлорно-кислого аммония эквивалентной дисперсности с применением в качестве антислеживающей добавки, предотвращающей агрегирование, например, аэросила (Ермилов П.И. «Диспергирование пигментов». М., Химия, 1971 г.). Так время отверждения топлива, содержащего компоненты в том же соотношении, что и в формуле, но где вместо модифицированного вводился хлорно-кислый аммоний с аэросилом (0,15 вес.%), составило 62 часа вместо 15-27 часов.

Пример конкретного выполнения.

Состав готовят следующим образом. Полидивинилизопреновый каучук с концевыми эпоксидными группами (8,85%) смешивают с пластификаторами (олигомерным полидивинилизопреном, эфиром себациновой кислоты) - (4,32%), алюминием дисперсным - (18,9%). Параллельно готовится смесь отвердителей, включающая в себя полибутадиеновый каучук с концевыми карбоксильными группами - (0,7%), ароматический амин (анилин) - (0,11%) и железосодержащий катализатор скорости горения - (2%). Кроме этого, предварительно готовится рабочая смесь окислителя, включающая в себя 48,67% перхлората аммония разной дисперсности, модифицированного тонкодисперсного хлорно-кислого аммония с сорбированным на поверхности частиц продуктом взаимодействия воды и метилтрихлораллана - (16,25%), и катализатора отверждения - (0,12%).

Топливная масса готовится смешением всех компонентов в специальных смесителях при температуре 45-55°С и Р_ост. не более 15-20 мм рт.ст. и подается на операцию формования заряда твердого ракетного топлива.

ТаблицаКомпоненты и характеристикиПрототип № патента RU 2170722 C1Содержание компонентов, % и показателиПримеры конкретного выполнения1234123456Тонкодисперсный модифицированный хлорно-кислый аммоний с сорбированным продуктом-1316,2519,522,75Алюминий дисперсный92018,918,018,9Полидивинилизопреновый каучук с концевыми эпоксидными группами6,08,078,858,898,82Полибутадиеновый каучук с концевыми карбоксильными группами0,50,630,70,70,73Ароматический амин0,070,060,110,070,11Пластификаторы4,55,824,324,03,76Катализаторы отверждения0,140,120,120,140,20Железосодержащий катализатор-пластификатор горения1,20,52,02,32,5Ароматическая аминокислота0,02----Перхлорат аммонияостальноеВремя отверждения (полимеризации) при 80°С, час60-7027,021,021,015,0Скорость горения при Р=100 кгс/см² и t=20°C, мм/с13,512,415,519,224,8Относительное удлинение при максимальном напряжении ε, % при 20°С60,475,1104,166,056,0Модуль упругости при 2% растяжении, кгс/см² при 20°С30,025,012,027,030,0

Изобретение относится к области создания твердых ракетных топлив, эксплуатируемых в широком температурном диапазоне и применяемых в двигателях с зарядами, прочно скрепленными с корпусом. Предложено твердое ракетное топливо, содержащее перхлорат аммония, алюминий дисперсный, полидивинилизопренуретановый каучук с концевыми эпоксидными группами, полибутадиеновый каучук с концевыми карбоксильными группами, ароматический амин - анилин, катализатор отверждения, железосодержащий катализатор скорости горения, пластификаторы и тонкодисперсный модифицированный хлорнокислый аммоний с сорбированным на его поверхности продуктом взаимодействия метилтрихлорсилана и воды. Изобретение направлено на создание твердого ракетного топлива с временем полимеризации не более 30 часов при t=80°С, с уровнем скорости горения до 25 мм/с при Р=100 кгс/см² и t=20°C и с высокими эластическими характеристиками при положительных температурах. 1 табл.

Твердое ракетное топливо, включающее перхлорат аммония, алюминий дисперсный, полидивинилизопреновый каучук с концевыми эпоксидными группами, полибутадиеновый каучук с концевыми карбоксильными группами, ароматический амин - анилин, катализатор отверждения, железосодержащий катализатор скорости горения и пластификаторы, отличающееся тем, что топливо дополнительно содержит тонкодисперсный модифицированный хлорнокислый аммоний с сорбированным на его поверхности продуктом взаимодействия метилтрихлорсилана и воды, а в качестве полидивинилизопренового каучука с концевыми эпоксидными группами оно содержит полидивинилизопренуретановый каучук с концевыми эпоксидными группами при следующем соотношении компонентов, мас.%:

тонкодисперсный модифицированный хлорнокислый аммоний с сорбированным на его поверхности продуктом взаимодействия метилтрихлорсилана и воды13,0-22,75алюминий дисперсный18,0-20,0полидивинилизопренуретановый каучук с концевыми эпоксидными группами8,5-8,97полибутадиеновый каучук с концевыми карбоксильными группами0,63-0,73анилин0,06-0,11пластификаторы3,76-5,62железосодержащий катализатор скорости горения0,5-2,5катализатор отверждения0,12-0,2перхлорат аммонияостальное.