РАКЕТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ СТАРОВЕРОВА-10 Российский патент 2014 года по МПК F02K9/08 F02K9/42 F02K99/00 

Изобретение относится к ракетным двигателям жидкого и твердого топлива. Известны ракетные двигатели, см., например, мой «Бескорпусный двигатель с самоподачей», пат. №2431052. Все существующие химические ракетные двигатели используют принцип окисления горючего окислителем. Очень часто эти компоненты жидкого или твердого ракетного топлива содержат связанный азот. Например, окислители: азотная кислота, нитрат аммония, перхлорат аммония, нитроформ, тетранитрометан и т.п. Или, например, горючее: гидразин, несимметричный диметилгидразин, аммиак, нитрометан и т.п. При протекании окислительно-восстановительной реакции азот, как правило, выделяется в свободном виде. Однако можно увеличить тепловыделение топлива, если в ракетное топливо добавить бор или его соединения.

Такими соединениями могут быть диборан, тетраборан, боргидрид бериллия, карбид бора, бориды металлов и т.п.

Данный двигатель содержит в жидком или твердом виде окислитель и горючее, содержащий/содержащие связанный азот, и отличающийся тем, что в состав топлива добавлен мелкодисперсный (желательно - наноразмера) бор и/или его соединения в соотношении атомов примерно 1:1 с отклонением ±20%. Отклонения возможны потому, что не всегда возможен и целесообразен баланс реакции и по кислороду, и по азоту.

При температуре 800-1200°С происходит реакция образования нитрида бора:

В+N=ВN+252,6 кДж

То есть на единицу добавленного бора получается добавочное тепловыделение 23,37 кДж/г. Такая реакция улучшит тепловыделение любого топлива, особенно твердого. Желательно не допускать непосредственного участия бора в окислительно-восстановительной реакции. Хотя удельное тепловыделение этой реакции с образованием оксида бора В₂O₃ достаточно большое -18,01 кДж/г, но все же хуже, чем у лучших ракетных топлив, например чем у бериллия, лития или их гидридов, а образовавшийся продукт - твердый (температура плавления 290, а температура кипения 2100°С).

Впрочем в присутствии восстановителя (сажа, водород) азот будет реагировать и с оксидом бора с образованием нитрида. Для этого желательно иметь некоторый коэффициент избытка горючего по отношению к окислителю.

ПРИМЕР 1. Жидкостные варианты

В двухкомпонентное ракетное топливо «гидразин - азотная кислота» добавлен диборан для реакции с азотом. Сначала рассмотрим реакцию неполного окисления водорода.

$$N2H4+2HNO3+2B2H6=4BN+6H2O+3H2+\mathrm{2462,3}кДж(1)$$

Удельное тепловыделение этой реакции 11,54 кДж/г. Для сравнения рассмотрим реакцию полного окисления водорода:

$$3N2H4+12HNO3+8B2H6=16BN+36H2O+N2+\mathrm{12633,3}кДж(2)$$

Удельное тепловыделение этой реакции незначительно больше -11,77 кДж/г. Если к последней реакции добавить в виде суспензии в диборане два атома бора, получится:

$$3N2H4+12HNO3+8B2H6+2B=16BN+36H2O+2BN+\mathrm{13256,4}кДж(3)$$

То есть тепловыделение получится 12,00 кДж/г - несколько лучше. Того же эффекта можно добиться, применив смесь диборана и тетраборана или изменив соотношение диборана и гидразина, чтобы обеспечить совпадение баланса и по кислороду-водороду, и по азоту-бору.

Из этих трех реакций, несмотря на меньшее тепловыделение, предпочтительнее первая, так как в выхлопных газах будет много водорода, что повысит скорость звука в газе. А это, в свою очередь, уменьшит габариты и вес конфузора (расширяющейся части) сопла и снизит теплонапряженность двигателя.

Возможна подобная реакция с тетрабораном вместо диборана. Ее удельное тепловыделение чуть меньше, но тетраборан удобнее в хранении. В азотной кислоте может быть растворена пятиокись азота. И тогда реакция с ней будет:

$$3N3H4+6N2O5+8B2H6=16BN+30H2O+N2+\mathrm{12751,2}кДж(4)$$

То есть удельное тепловыделение будет 13,20 кДж/г. Естественно, что следует растворить в кислоте как можно больше пятиокиси азота (зависит от температуры хранения). А если, как в предыдущей реакции, добавить два атома бора, то удельное тепло выделение увеличится до 13,42 кДж/г. Того же результата можно добиться, изменив соотношение «гидразин-диборан», например, при коэффициентах реакции 4:10:14 балансы и по кислороду, и по бору сойдутся, а при коэффициентах 9:24:34 бора будет даже небольшой избыток. Возможна и наоборот - реакция по типу первой - с остаточным количеством водорода в выхлопных газах, например при коэффициентах реакции 1:1:2 баланс по бору сойдется, а водорода будет избыток 3 молекулы. Удельное тепловыделение этой реакции будет 12,70 кДж/г.

В азотной кислоте также может быть растворен тетранитрометан. Но его тепловыделение в подобной реакции значительно хуже, чем у пятиокиси азота, и равно примерно 11,80 кДж/г (так как в этой реакции один окислитель и три «топлива», то тепловыделение зависит от пропорции).

Аналогичное увеличение тепловыделения будет достигнуто и при применении в качестве горючего несимметричного диметилгидразина.

Представляет интерес двухкомпонентное топливо «тетранитрометан - диборан»:

$$C(NO2)4+2B2H6=4BN+CO2+6H2O+\mathrm{3217,7}кДж(5)$$

Удельное тепловыделение 12,8 кДж/г.

Для сравнения рассмотрим эффект «нитридизации» при использовании углеводородного топлива. Рассмотрим топливо тройного состава «этилен - пятиокись азота - диборан».

$$C2H4+3N2O5+3B2H6=6BN+2CO2+11H2O+\mathrm{4871,4}кДж(6)$$

То есть удельное тепловыделение 11,20 кДж/г. У других углеводородных горючих, в частности у керосина, будут близкие показатели.

Теоретически для таких двигателей надо три бака, но, возможно, бораны и гидразин хорошо взаимно растворяются и не реагируют при нормальных эксплуатационных температурах и их можно хранить в одном баке.

ПРИМЕР 2. Твердотопливные варианты

Рассмотрим твердое топливо тройного состава «полиэтилен - нитрат аммония (безводный) - бор». В качестве горючего-связующего взят полиэтилен, чтобы удобнее было сравнить эту реакцию с реакцией \6\.

$$C2H4+6NH4NO3+12B=12BN+2CO2=14H2O+\mathrm{5591,4}кДж(7)$$

Тепловыделение этой реакции 8,76 кДж/г, что неплохо для твердых топлив.

В состав некоторых полимеров входит азот. Рассмотрим реакцию с полиакрилонитрилом:

$$2C3H3N+15NH4NO3+32B=6CO2+33H2O+32BN+\mathrm{14241,1}кДж(8)$$

То есть удельное тепловыделение 8,615 кДж/г. Примерно такое же тепловыделение имеет реакция со стиролом. То есть для горючего-связующего можно использовать сополимеры стирола и полиакрилонитрила. Схожее тепловыделение дадут полиуретан, полиметилметакрилат, полиэфирные и эпоксидные смолы.

Разумеется, значительно лучшее тепловыделение будет, если в качестве горючего использовать боргидрид бериллия:

$$Be(BH4)2+5NH4NO3+8B=BeO+14H2O+10BN+\mathrm{5316,6}кДж(9)$$

Тепловыделение будет 10,37 кДж/г. Однако более интересна реакция с выделением водорода:

$$Be(BH4)2+NH4NO3=BeO+2H2O+2BN+4H2+\mathrm{1327,5}кДж(10)$$

Удельное тепловыделение 11,27 кДж/г и большое количество водорода в выхлопных газах.

Из приведенных примеров видно, что удельное тепловыделение ракетного топлива, содержащего азот, при наличии бора или его соединений повышается. Нитрид азота не является ядовитым соединением, поэтому экологичность двигателей не пострадает.

Ракетный двигатель включает жидкое или твердое ракетное топливо, в котором окислитель и/или горючее содержит связанный азот, а также мелкодисперсный или связанный бор, причем количество атомов бора и азота 1:1 с отклонением ±20%. Ракетное топливо имеет избыток горючего по отношению к окислителю. Изобретение позволяет повысить тепловыделение топлива. 8 з.п. ф-лы.

1. Ракетный двигатель, использующий в жидком или твердом виде окислитель и горючее, причем окислитель и/или горючее содержит связанный азот, и окислитель и/или горючее содержит мелкодисперсный или связанный бор, отличающийся тем, что количество атомов бора и азота 1:1 с отклонением ±20%.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что соединениями бора являются диборан, тетраборан, боргидрид бериллия, карбид бора, бориды металлов.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что имеет избыток горючего по отношению к окислителю.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что топливом для него является смесь гидразина, азотной кислоты, пятиокиси азота и диборана.

5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что в него дополнительно подается бор в виде суспензии в диборане.

6. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что в него дополнительно подается тетраборан в виде раствора в диборане.

7. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве топлива используется смесь сополимеров стирола и полиакрилонитрила, нитрата аммония и мелкодисперсного бора.

8. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве топлива имеет смесь боргидрида бериллия и нитрата аммония.

9. Двигатель по п.8, отличающийся тем, что в качестве топлива имеет смесь боргидрида бериллия и нитрата аммония (безводного) в соотношении молекул 1:1.