СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕЛЕОБРАЗНОГО РАКЕТНОГО МОНОТОПЛИВА Российский патент 2007 года по МПК C06B47/04 C06D5/10 

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к области получения гелеобразного монотоплива для ракетных двигателей.

Монотоплива в ракетной технике известны давно. Это, прежде всего, безводный гидразин, перекись водорода, окись этилена, органические нитраты и др. Теплопроизводительность этих топлив не превышает 1000 ккал/кг, и поэтому они нашли применение лишь как вспомогательное топливо для целей управления и ориентации, ракетных систем, космических аппаратов и т.п.

Среди монотоплив для ракетных двигателей особое место занимают гелеобразные топлива, содержащие в своем составе горючее и окислитель. В литературе наряду с "гелеобразными" встречаются термины: полужидкие, полутвердые, пластичные, суспензионные, желеобразные, тиксотропные топлива.

Для получения гелеобразных топлив обычно используются химически активные и механически диспергированные твердые гелеобразователи. Это высшие жирные кислоты и их соли, высокомолекулярные соединения (полимеры) и тяжелые углеводороды, а также тонкоизмельченные силикагель, сажа, соединения металлов. Для гелирования ракетных горючих наиболее эффективно используются легкие металлы и их гидриды (см. патент США №3516879, опубликованный 23 июня 1970 года). Использование добавок легких металлов и их гидридов обеспечивает существенное повышение энергетических характеристик жидких ракетных топлив. В этом случае простейшим решением проблемы обеспечения устойчивости топлива при механических и тепловых воздействиях является загущение жидкого топлива.

Гелирование жидких ракетных топлив повышает их пожаробезопасность и снижает потери на испарение и утечки. Большинство гелеобразных топлив являются хранимыми. При этом монотоплива на гелеобразной основе обладают более высоким удельным импульсом, чем жидкие монотоплива. Их преимуществами по сравнению с твердыми топливами являются возможность заправки на старте и сравнительно простое регулирование модуля тяги, т.к. при определенных условиях гелеобразное монотопливо приобретает подвижность и способно подобно жидкости течь по трубопроводам и распыляться форсунками (см. патент Великобритании №1147659, опубликованный 2 апреля 1969 г.).

Основным недостатком гелеобразных топлив являются слабые структурные связи, поэтому для обеспечения приемлемой стабильности топлива необходимо введение не менее 5-10% гелеобразователя. По этой же причине гелеобразные топлива имеют высокую чувствительность к нагрузкам. Достоинством гелеобразных топлив является отсутствие фазовых изменений при повышении температуры, благодаря чему топливо сохраняет агрегативную стабильность в широком диапазоне температур окружающей среды.

Недостаточная теплопроизводительность монотоплив ограничивала возможность их использования для более мощных ракетных двигателей. Для получения монотоплив с большей теплопроизводительностью были разработаны гелеобразные топлива с добавками частиц металла.

Способ получения гелеобразного ракетного монотоплива заключается в загущении жидкого окислителя и введении в него тонко измельченного металла (см. сборник "Ракетные топлива" под редакцией академика АН БССР Я.М.Паушкина, доктора технических наук А.З.Чулкова, М., Мир, с.114-143). В указанном источнике в качестве высокоэнергетических металлов рассматриваются бор, бериллий, литий, магний, алюминий. Однако, из-за высокой токсичности бор и бериллий практически не применяются, литий обладает высокой химической активностью, что затрудняет его применение как в чистом виде, так и в смешанном с окислителем виде, магний среди перечисленных металлов имеет самое низкое тепловыделение при сгорании в кислороде, поэтому наиболее доступным и приемлемым металлом остается алюминий.

На настоящее время известны следующие гелеобразные топлива, содержащие алюминий, полученные путем загущения слабых окислителей и введения в них тонко измельченного металла. К таким топливам можно отнести, например:

C(NO₂)₄-Al+загуститель, CH₃NO₃ -Al+загуститель

(см. монографию Я.М.Паушкин "Жидкие и твердые химические ракетные топлива", М., Наука, 1978, с.90, 106); а также гелеобразное монотопливо, представляющее собой 10-30% суспензию Be, В, Al или Mg в C(NO₂)₄ - (тетранитрометане), загущенном войлочными волокнами и полидифтораминоорганическим соединением (см. сборник "Ракетные топлива" под редакцией академика АН БССР Я.М.Паушкина, доктора технических наук А.З.Чулкова, М., Мир, 1975, с.114-143).

Указанный ниже способ получения монотоплива может быть принят в качестве прототипа.

Недостатками прототипа являются:

1. Необходимость добавки загустителя для исключения осаждения алюминиевого порошка.

2. Гелеобразные монотоплива, уже имеющие в своем составе окислитель для сжигания горючего, обладают меньшим удельным импульсом, чем обычные двухкомпонентные ракетные топлива.

3. Пониженные окислительные свойства окислителя, выбранного исходя из требований исключения взаимодействия окислителя с загустителем.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка ракетного монотоплива, лишенного указанных выше недостатков.

Согласно изобретению поставленная задача решается с использованием приемов нанотехнологии. Для этого алюминий измельчают до получения порошка заданной дисперсии и добавляют в окислитель в пропорции, достаточной для образования на поверхности каждой частицы слоя окислителя, обеспечивающего полное сжигание частицы, и перемешивают смесь до образования гелеобразной массы.

Порошок алюминия заданных размеров можно получить известными способами, например, измельчением шаровыми мельницами или вакуумным осаждением паров алюминия. Кроме того, известно, что для жидкостей, смачивающих поверхность твердых тел, на границе контакта с твердым телом образуется переходный слой, обладающий упругостными свойствами, при этом толщина переходного слоя жидкого слоя окислителя составляет от 0,06 до 0,09 мкм (см. статью У.Б.Базарона, Б.В.Дерягина, А.В.Булгодаева "Исследование сдвиговой упругости жидкостей в объеме и граничных слоях" в сборнике "Исследования в области поверхностных сил", Москва, Наука, 1967 г.).

Указанные размеры толщины жидкого окислителя подтверждаются результатами экспериментов, проведенных на установках, специально разработанных для изучения протекающих процессов (см. Технический отчет Т38-18/66. Автор: Валиев Б.Г. "Исследование процессов истечения рабочих жидкостей из микроотверстий сплава Амг6", 1966 г., ФГУП "Государственный ракетный центр "КБ им. академика В.П. Макеева", г.Миасс Челябинской обл.).

В этом направлении также проведены работы и по определению толщины слоя жидкости при контакте жидкого тетраоксида азота (окислителя N₂О₄) с алюминием. Измерения показали, что толщина слоя жидкого окислителя равна ˜0,06 мкм. Указанная особенность смачивания позволяет путем увеличения удельной поверхности порошка алюминия путем диспергирования обеспечить возможность полного сгорания частицы алюминия при взаимодействии окислителя N₂O₄, содержащегося в пленке, обволакивающей частицу.

Эти исследования показывают принципиальную возможность получения монотоплива, состоящего из частиц алюминия, обволоченных слоем тетраоксида азота толщиной 0,06 мкм.

Как известно, в окислительной среде поверхность алюминия покрыта плотной пленкой окислов алюминия, поэтому при контакте частиц алюминия с окислителем последний имеет контакт только с пленкой окислов алюминия. Учитывая указанное обстоятельство, экспериментальные работы проводились в два этапа: на первом этапе пудра окиси алюминия добавлялась в жидкий тетраоксид азота (N₂O₄) и смесь перемешивалась, в итоге получилась вязкая гелеобразная жидкость; на втором этапе частицы алюминия предварительно диспергировались до размера частиц 0,15 мкм, затем расчетное количество навески порошка алюминия добавлялось в заданный объем окислителя - тетраоксид азота, достаточный для образования на поверхности частиц алюминия слоя N₂O₄ толщиной 0,06 мкм, обеспечивающего полное сгорание алюминия, и смесь тщательно перемешивалась. В результате получалась гелеобразная масса, обладающая тиксотропными свойствами, которая представляет собой гелеобразное монотопливо для ракетных двигателей.

Ожидаемое значение удельного импульса ракетного монотоплива, полученного указанным способом, составляет 400 с.

Изобретение относится к ракетным топливам. В предложенном способе получения гелеобразного ракетного монотоплива осуществляют диспергирование алюминия до размера частиц 0,15 мкм, добавляют его в жидкий окислитель N₂O₄, после чего осуществляют перемешивание. Причем N₂O₄ используют в количестве, достаточном для образования на поверхности частиц алюминия слоя N₂O₄ толщиной 0,06 мкм, обеспечивающего полное сгорание алюминия. Ракетное монотопливо, полученное указанным способом, имеет удельный импульс, близкий к 400 с.

Способ получения гелеобразного ракетного монотоплива, отличающийся тем, что осуществляют диспергирование алюминия до размера частиц 0,15 мкм, добавляют его в жидкий окислитель N₂O₄, причем N₂O₄ используют в количестве, достаточном для образования на поверхности частиц алюминия слоя N₂O₄ толщиной 0,06 мкм, обеспечивающего полное сгорание алюминия, после чего осуществляют перемешивание.