СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРИОГЕННОГО, МОНЕРГОЛЬНОГО ТВЕРДОГО ТОПЛИВА И ПРОИЗВЕДЕННОЕ ТАКИМ СПОСОБОМ ТОПЛИВО Российский патент 2007 года по МПК C06B45/12 C06B47/02 

Изобретение относится к способу изготовления охлажденного ниже температуры окружающей среды твердого топлива для ракетных двигателей в криогенных монергольных системах из гетерогенных жидкостно-твердых топлив, у которых, по меньшей мере, один из реактантов, окислитель или горючее, содержит при стандартной температуре жидкую или газообразную фазы, при этом, по меньшей мере, одну жидкую или газообразную фазу, являющуюся реактантом в форме горючего или окислителя, переносят в твердую, имеющую соединенные между собой полости структуру, выполненную из реактанта по отношению к жидкой фазе, и переводят жидкую или газообразную фазу внутри твердой структуры путем замораживания в устойчивую ниже стандартной температуры криогенную твердую фазу.

Изобретение относится далее к охлажденному ниже температуры окружающей среды твердому топливу для ракетных двигателей в криогенных монергольных системах из гетерогенных жидкостно-твердых топлив, - содержащее комбинацию реактантов горючее/окислитель, в которой, по меньшей мере, один из реактантов является при стандартной температуре жидкой или газообразной фазой, при этом, по меньшей мере, один из реактантов состоит из переведенного путем охлаждения в стабильное состояние твердый материала и, по меньшей мере, один из реактантов представляет собой твердую фазу, состоящую из связанных между собой пор, в которые внедрен переведенный путем охлаждения в стабильное состояние твердого материала реактант.

При этом изобретение относится к технической области топлив для ракетных двигателей и, более конкретно, к изготовлению и построению твердотопливных зарядов. Под твердотопливными зарядами, в рамках изобретения, понимаются представленные в определенных геометрических формах простые или составные твердотопливные блоки. Данное определение включает также возможные монтажные или дополнительные элементы, которые по механическим или другим причинам связаны с сохраняемыми неохлажденными топливами в качестве уплотнителей или ингибиторов выгорания, а при криогенных твердых топливах, к тому же, в качестве опорных, заполняющих, опорожняющих или охлаждающих устройств. В обоих случаях в процессе выгорания топлива они полностью или частично сгорают.

У всех известных ракетных топлив компоненты представлены в жидком и/или твердом агрегатном состоянии и служат в качестве окислителя или горючего. Некоторые имеют также еще и другие функции, например, как связующие материалы или добавки.

Независимо от агрегатного состояния, те топлива, которые объединяют в себе функции окислителя и горючего, называют монерголями (однокомпонентными топливами). При распределении функций по отдельным компонентам говорят о диерголях.

Монерголи, как по их фазовому и молекулярному составу, так и по их агрегатному состоянию могут быть гомогенными или гетерогенными. Примерами для гомогенных монерголей, как жидкостного топлива, являются пероксид водорода, гидразин и нитроглицерин. Гетерогенные монерголи включают, например, эмульсии жидкостных компонентов, нерастворимых один в другом.

Известен целый ряд топлив для ракетных двигателей, у которых, по меньшей мере, один из компонентов является при стандартной температуре жидкой фазой (US 2802332, US 3367268, US 3398215, US 3687746, US 3697455, US 3703080). В документе US 2802332 описывает топливный заряд жидкостной ракеты, имеющий такую структуру, которая образована из множества ячеек. В этих ячейках находится, по меньшей мере, один реактант. Стенки подобной ячеистой структуры состоят из полиэтилена, тефлона или силиконовой резины. Отдельные ячейки соединены друг с другом посредством отверстий.

В уровне техники, например, в US 3367268 описаны гибридные ракетные топливные заряды, которые построены из твердой полимерной ячеистой резиновой основы, которая образует межъячейковую матрицу. В эту матрицу внедрены порошкообразные твердые горючие материалы, например, порошок легких металлов из II и III групп ПСЭ, а также укрепляющие волокна. Поры содержат жидкий окислитель.

В документе US 3398215 описан способ изготовления ракетного топливного заряда, при котором отверждаемый резинополимер смешивают с порошкообразным металлическим горючим материалом и отвердителем, а также обрабатывают органическим газообразующим средством. Резинополимер выбран из группы резиноподобных углеводородов и галогенированных углеводородных резин. В качестве металлического горючего материала использованы порошки из алюминия, бора, титана, бериллия, магния и лития. Органическое газообразующее средство кипит при 70-200°С и является совместимым с полимером. Оно испаряется при температуре отверждения от 120°С до 205°С внутри композита, причем в матрице образуются поры и, соответственно, ячейки. Подобная губке матрица содержит металлическое горючее и образует связанную фазу. Затем матрицу погружают в жидкий окислитель таким образом, что поры заполняются окислителем. Всем этим известным решениям присущ тот общий недостаток, что они обеспечивают лишь очень небольшой уровень производительности, и топлива сложны по их структуре и при обращении с ними.

Известно также, что топливные заряды изготовляют в очень разнообразных геометрических формах. Их можно, однако, грубо разделить на две категории, часто - заряды внутреннего горения, преимущественно, с радиально направленным выгоранием, и заряды торцового горения, преимущественно, с аксиально направленным выгоранием.

Наряду с монергольными топливами известны такие, которые содержат горючее и окислитель как раздельные элементы в различных геометрических расположениях. Примерами являются радиально выгорающие дисковые пакеты или торцовые заряды «стержень в матрице» [R.E.LO, N.EISENREICH; "Modulare und kryogene Feststofftreibsätze - eine neue Klasse chemischer Raketenantriebe" (Модульные и криогенные твердотопливные заряды - новый класс химических ракетных двигателей), Deutscher Luft- und Raumfahrtkongress, DGLTR-JT98-104, Бремен, 7.10.1998; том 2, стр.1231]. Такие устройства обозначают как модульные топливные заряды. Модульные топливные заряды с большими модульными элементами относятся к диерголям (двухкомпонентным топливам). Горение происходит в диффузионном пламени в виде так называемого горения в пограничном слое, при котором исключен или не может легко происходить переход к неконтролируемым взрывам или детонациям.

От модульных топливных зарядов нужно отличать также заряды с капсулированными компонентами. Целью капсулирования является взаимное разъединение реактивных жидкостей и при этом улучшение стойкости к продолжительному хранению. Жидкости или очень чувствительные реактанты могут быть заперты в капсулах. Малые капсулы могут быть беспорядочно заключены в связующих веществах, макрокапсулы расположены упорядочение и залиты связующим или отвержденным твердым топливом. При увеличивающихся размерах капсул [см. R.M.MCCURDY и др. "Solid Propellant Grain Containing Metall Macrocapsules of Fuel and Oxidizer", US 3527168] и упорядоченном расположении капсулированные топлива переходят в подкласс зарядов «стержень в матрице».

При уменьшении размеров элементов и, в особенности, когда элементы больше не расположены упорядоченно, а располагаются статистически, то, напротив, у всех известных топлив имеет место плавный переход к гетерогенным монерголям. Возникающие при этом топливные комбинации можно лучше всего обозначать как «квази-монерголи».

Эту относительно плохую способность разграничения между монерголями и диерголями обнаруживают при заполненных губчатых топливах и залитых топливных сыпучих материалах. Эти оба класса твердых топлив имеют также общее с модульными топливными зарядами то, что они со своими стойкими при хранении компонентами едва ли интересны для практического использования в ракетных двигателях, однако основания для этого различны. При модульных твердых топливах имеется узко ограниченный выбор среди энергетически интересных стойких при хранении топлив. Вследствие большего выбора среди жидкостных топлив это ограничение имеет силу при твердо-жидкостных гетерогенных сыпучих материалах и губках только для твердой фазы. Собственно ограничение происходит от их только очень условной применимости в условиях силовой установки, где необходимо безусловно избегать сепарации жидкостной фазы. Капсулирование является возможным решением, но оно связано с усложнениями условий изготовления. Когда капсулы вырастают до размеров стержней, как при модульных топливах «стержень в матрице», метод сжигания жидкостей больше не подходит.

Наряду со стойкими при хранении твердотопливными зарядами предложены заряды из замороженного топлива, компоненты которых при стандартной температуре являются жидкостями или газами. Такие топлива обозначены здесь как криогенно-твердые топлива (криогенные твердые ракетные топлива - CSP).

Монерголи CSP состоят из замороженных, жидких при комнатной температуре монерголей. Модульные CSP составляются, по меньшей мере, из одного замороженного элемента, который в одиночку является негорючим (US 3137127). Горение модульного, не монергольного топливного элемента является в принципе диффузным горением в пограничном слое и, в качестве такового, зависим от притока реактантов. Когда приток осуществляется не через сильное течение, а только путем конвекции, то реакция является нерегулярной и замедленной, если она вообще происходит. Поэтому модульные топливные заряды нуждаются, по меньшей мере, начиная с одной определенной величины элемента, в одном или нескольких поджигающих пламенных генераторах (US 6311479).

При таком уровне техники в основе изобретения лежит задача повысить эффективность криогенно-твердых топлив по сравнению с традиционными твердотопливными зарядами, гибридными зарядами и жидкостными силовыми установками, а также простым способом улучшить их стойкость при хранении и рентабильность при воздержании от затратных управлений жидкостями и одновременном исключении непрерывного поджигания криогенно-твердых топлив.

Эту задачу решают с помощью способа с отличительными признаками по п.1 формулы и с помощью твердого топлива с признаками по п.10 формулы.

Преимущественные формы исполнения представлены в зависимых пунктах формулы.

Способ согласно изобретению прежде всего отличается тем, что через замораживание жидкой фазы у гетерогенных жидкостно-твердых топлив последние становятся криогенными, монергольными твердыми топливами, вследствие чего может быть исключено непрерывное поджигание и будут устранены проблемы управления жидкостями, которые возникают при нормальных жидкостно-твердых квази-монерголях.

Изобретение касается, таким образом, всех квази-монергольных комбинаций горючее/окислитель, у которых, по меньшей мере, один из компонентов является замороженной жидкостью.

Изобретение ведет к значительным увеличениям мощности ракет-носителей. Наряду с отсутствием нанесения двигателем ущерба окружающей среде, изобретение в дальнейшем, при выборе подходящих веществ в качестве топлива, как, например, SOX или SH₂O₂ в соединении с твердыми углеводородами, как РЕ, PU, HTRB, ведет к значимой экономии эксплуатационных и стартовых затрат. Несмотря на очевидные, здесь не релевантные, технологические проблемы криогенных твердотопливных ракет, для них образуется потенциально очень большой рынок в ракетной технике.

Дальнейшие преимущества и детали изобретения следуют из последующего описания со ссылками на приведенные чертежи, на которых представлен один пример исполнения, показано:

на фиг.1 - разрез полимерной губки, как твердотельной структуры, с внедренной криогенной фазой;

на фиг.2 - разрез пеноалюминия, как твердотельной структуры, с внедренной криогенной фазой;

на фиг.3 - в разрезе залитый сыпучий материал из полиэтилена и криогенная фаза.

Ракетный топливный заряд из твердотельного топлива согласно изобретению должен быть изготовлен с помощью способа согласно изобретению.

Твердотельное топливо должно состоять, как показывает фиг.1, из полимерной губки 1, например из полиэтилена в качестве горючего, и криогенной окислительной фазы 2, например, из замороженного пероксида водорода. Губку 1, как твердую фазу, сначала закрепляют с помощью приклеивания на внутренней изоляции не представленной здесь стенки камеры сгорания, а затем заполняют пероксидом водорода с использованием капиллярных сил или понижения давления и, в заключение, по необходимости, замораживают его в губке 1 путем переохлаждения.

Естественно, возможно также, не выходя за рамки изобретения, ввести губчатый материал 1 прямо в камеру сгорания с помощью вспенивания.

Сгорание твердого топлива согласно изобретению происходит затем аналогично классическому горению твердого материала в камере сгорания, причем топливо поджигают с помощью запала.

Фиг.2 показывает пример, при котором в качестве твердой фазы используют пеноалюминий 3, поры которого заполнены замороженным кислородом. Изготовление твердотельного топлива согласно изобретению затем происходит, как описано выше.

На фиг.3 представлен полиэтиленовый сыпучий материал 4, полости между частицами которого заполнены жидким при комнатной температуре окислителем 5, который после заполнения замораживают.

Последующая таблица показывает широту области применения данного изобретения, причем в ней каждый раз приведены два компонента и, с возможностью выбора, всегда один из компонентов представляет собой окислитель, а другой - горючее. Исходя из этого каждый компонент может также представлять гомогенную или гетерогенную смесь различных веществ. В частности, из этого следует, что естественно приходят в рассмотрение также высокоэнергетичные материалы, например, представители материалов с высокой плотностью энергии ("High Energy Density Matter" - HEDM) в качестве компонентов или добавок, например, дисперсные атомы или молекулы в стабилизирующей матрице, напряженные соединения (например, CUBAN), слабо ковалентные соединения (полиазот), возбужденные атомы или молекулы (триплет-гелий) или металлический водород. Криогенная температура приводит к стабилизации HEDM, которая абсолютно необходима наполнителям.

При этом не рассматриваются различные возможности топологических взаимосвязей компонентов, т.е. в последующей таблице в каждом случае, насколько оправдано, речь может идти о губчатых или сыпучих материалах, также, когда они не названы в качестве примеров. Термином «стойкий при хранении» обозначены материалы, которые при комнатной температуре имеют заданное агрегатное состояние, как «криогенные» - обозначены материалы, если они по одной из названных выше причин, как правило, требуют охлаждения.

Остается указать на то, что в твердотопливных ракетных двигателях все компоненты, исходя из их природы, обладают одной и той же температурой на выходе.

Таблица
Морфология криогенных квази-монерголейКомпонент 1Компонент 2ПримерыСтойкий при хранении твердый материалКриогенный твердый материалПолимерная губка, пропитанная замороженным пероксидом водорода (SH₂O₂) или кислородом (SOX); замороженный SH₂O₂ или SOX с внедренными частицами горючего из полимера или металлаСтойкий при хранении твердый материалКриогенная жидкостьКапсулы или камеры с криогенным компонентом в твердом материалеКриогенный твердый материалКриогенный твердый материалЗамороженный кислород с замороженным горючим в каждой возможной квази-монергольной композиции, например, SMOX (Solid Methan & Solid Sauerstoff) твердый метан и твердый кислородКриогенный твердый материалСтойкая при хранении жидкостьЗамороженный H₂O₂ с закапсулированным жидкостным горючимКриогенный твердый материалКриогенная жидкостьКомбинации замороженных углеводородов с закапсулированным жидким кислородомКриогенная жидкостьКриогенная, или стойкая при хранении жидкостьСыпучие материалы из капсул с обоими компонентами, которые склеены с помощью дополнительного связующего материала

Группа изобретений относится к твердым ракетным топливам. Предложен способ изготовления охлажденного ниже температуры окружающей среды твердого топлива для ракетных двигателей в криогенных монергольных системах из гетерогенных жидкостно-твердых топлив, у которых по меньшей мере один из реактантов, окислитель или горючее, содержит при стандартной температуре жидкую или газообразную фазы. По меньшей мере одну жидкую или газообразную фазу, являющуюся реактантом в форме горючего или окислителя, переносят в твердую, имеющую соединенные между собой полости структуру, выполненную из реактанта по отношению к жидкой фазе. Затем жидкую или газообразную фазу внутри твердой структуры переводят в устойчивую ниже стандартной температуры криогенную твердую фазу. Предложено также охлажденное ниже температуры окружающей среды твердое топливо для ракетных двигателей. Изобретение направлено на повышение эффективности топлива, улучшение его стойкости при хранении, исключение непрерывного поджигания криогенно-твердых топлив. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Способ изготовления охлажденного ниже температуры окружающей среды твердого топлива для ракетных двигателей в криогенных монергольных системах из гетерогенных жидкостно-твердых топлив, у которых по меньшей мере один из реактантов, окислитель или горючее, содержит при стандартной температуре жидкую или газообразную фазы, отличающийся тем, что по меньшей мере одну жидкую или газообразную фазу, являющуюся реактантом в форме горючего или окислителя, переносят в твердую, имеющую соединенные между собой полости структуру, выполненную из реактанта по отношению к жидкой фазе, и переводят жидкую или газообразную фазу внутри твердой структуры в устойчивую ниже стандартной температуры криогенную твердую фазу.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкой фазы используют эмульсию нерастворимых один в другом жидких компонентов, суспензию твердых компонентов в жидких компонентах или пропитанную жидкостью сыпучую массу.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве твердой структуры используют губчатый материал с открытой пористостью, в частности губку из полимерной и/или металлической пены, например полиэтиленовой, полиуретановой, НТРВ-, GAP-, алюминиевой, магниевой или бериллиевой пены.4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве твердой структуры используют залитый сыпучий материал из полиэтилена, полиуретана, НТРВ, GAP, АР, алюминия, магния или бериллия или их смесей.5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что жидкую фазу переносят в твердую структуру с помощью погружения и/или пропитывания последней.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидкой или газообразной фазы используют кислород, углеводород, пероксид водорода или HEDM-топливо.7. Способ по п.1, отличающийся тем, что твердую структуру производят с помощью замораживания жидкого горючего или окислителя, в частности кислорода, углеводорода, пероксида водорода или HEDM-топлива.8. Способ по п.1 или 7, отличающийся тем, что жидкую фазу сначала капсулируют, а затем смешивают с твердой структурой и соединяют с помощью связующего материала.9. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость горения заряда устанавливают с помощью выбора определенной величины полостей в твердой структуре.10. Охлажденное ниже температуры окружающей среды твердое топливо для ракетных двигателей в криогенных монергольных системах из гетерогенных жидкостно-твердых топлив, содержащее комбинацию реактантов горючее/окислитель, в которой, по меньшей мере, один из реактантов является при стандартной температуре жидкой или газообразной фазой, отличающееся тем, что по меньшей мере один из реактантов состоит из переведенного путем охлаждения в стабильное состояние твердого материала и по меньшей мере один из реактантов представляет собой твердую фазу, состоящую из связанных между собой пор, в которые внедрен переведенный путем охлаждения в стабильное состояние твердого материала реактант.11. Твердое топливо по п.10, отличающееся тем, что жидкая фаза выбирается из эмульсии нерастворимых один в другом жидких компонентов, суспензии твердых компонентов в жидких компонентах или пропитанной жидкостью сыпучей массы.12. Твердое топливо по п.10, отличающееся тем, что твердая фаза выбирается из полимерных пенистых материалов, в частности полиуретановой, полиэтиленовой, НТРВ-, GAP-пены, металлической, например алюминиевой, магниевой или бериллиевой пены, или их смесей.13. Твердое топливо по п.10, отличающееся тем, что твердой фазой является стабильный твердый материал.14. Твердое топливо по п.10, отличающееся тем, что переведенный в стабильное состояние с помощью охлаждения твердый материал выбирается из кислорода, углерода, пероксида водорода или из HEDM-топлива.15. Твердое топливо по любому из пп.10-14, отличающееся тем, что твердая фаза состоит из сыпучей массы произвольно отформованных отдельных кусков, у которой полости между кусками состоят в связи между собой, при этом в указанные полости внедрена замороженная жидкость в качестве реактанта.16. Твердое топливо по п.15, отличающееся тем, что замороженный реактант представлен не в гомогенной форме, а является сыпучим материалом, внедренным в полости первичной твердой фазы.17. Твердое топливо по п.10, отличающееся тем, что твердая фаза снабжена защитным покрытием, которое химически изолирует оба реактанта друг от друга.