РАКЕТНОЕ ТОПЛИВО (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2015 года по МПК C06D5/00 C06B47/02 

Изобретение относится к ракетным топливам для жидкостных, твердотопливных и гибридных ракетных двигателей, а также для поршневых и турбореактивных двигателей. Известны горючие ракетные топлива, см., например, пат. №2424279 «Горючее», состоящее наполовину из ацетилена и этилена, что позволяет использовать ацетилен в растворенном, то есть жидком криогенном виде.

Известен «Ракетный двигатель Староверова - 10», в котором тепловыделение топлива, содержащего связанный азот, увеличивается при горении за счет реакции азота с бором с образованием нитрида бора с выделением 23,37 мДж/кг на единицу добавленного бора.

Важнейшим показателем любого топлива, используемого в любом двигателе (автомобильном, турбореактивном, ракетном), является не теплотворная способность, то есть выделение при сгорании тепла на единицу своей массы, а приведенная теплотворная способность, то есть тепловыделение на единицу участвующего в стехиометрической реакции кислорода, а если в горении участвует бор, то на единицу участвующих в реакции кислорода и бора. Потому что именно она определяет теплотворную способность смеси. Дело в том, что для большинства распространенных топлив (водород, углеводороды, гидразины) кислорода требуется больше, чем горючего. А также дело в том, что в поршневой или турбореактивный (то есть, в воздушные) двигатели мы можем подать сколько угодно горючего, но увеличить количество поступающего кислорода не можем (исключением можно считать наддув в поршневых двигателях). Автором произведен пересчет некоторых веществ на приведенную теплотворную способность, и оказалось, что из недорогих и не очень токсичных жидких и газообразных веществ лучшими являются водород и ацетилен. Но намного лучшими являются некоторые металлы. Именно поэтому во многие твердые ракетные топлива добавляются металлические алюминий или бериллий или гидриды металлов (см. заявку «Ракетный двигатель Староверова - 6», №2012106402/20-009670, где применено ПОЛОВИННОЕ ГОРЕНИЕ гидрида бериллия с удельным тепловыделением 21,39 мДж/кг:

Однако есть органические соединения, в состав которых уже входят связанные металлы, это металлоорганические соединения, гидриды металлов, бориды металлов и, отчасти, карбиды металлов (однако последние малоперспективны как ракетное горючее из-за малой приведенной теплотворной способности).

Данное горючее представляет собой металлосодержащие соединения. Рассмотрим реакцию горения триэтилалюминия:

Соотношение компонентов в этой реакции: триэтилалюминия - 24,08%+-15%, кислорода - 75,92%+-15%. Рассмотрим реакцию горения диметилбериллия:

Соотношение компонентов в этой реакции: диметилбериллия - 37,91%+-15%, кислорода - 62,09%+-15%.

Если в качестве окислителя взято нитросоединение (например, азотная кислота), то в качестве горючего целесообразно использовать смесь металлорганического соединения с жидким или твердым соединением бора или с бором, чтобы увеличить тепловыделение реакции за счет образования нитрида бора. При этом определенную трудность представляет собой подбор соотношения компонентов, так как желательно обеспечить и баланс по кислороду, и вспомогательный баланс по бору.

Соотношение компонентов реакции: диметилбериллия - 7,41%+-7%, азотной кислоты - 76,42%+-15%, тетраборана - 16,17%+-15%.

Для гибридного двигателя окислитель, а при необходимости - бор, могут быть в твердом виде.

Соотношение компонентов в этой реакции: диметилбериллия - 5,52%+-5%, динитрамида аммония - 70,06%+-15%, бора - 24,42%+-15%. Рассмотрим реакцию:

Соотношение компонентов в этой реакции: диметилбериллия - 12,21%+-12%, нитрата бора - 82,02%+-15%, диборана - 5,77%+-5%. Еще лучшее удельное тепловыделение будет в реакции 6:

Соотношение компонентов в этой реакции: диметилбериллия - 7,66%+-7%, нитрата бора - 77,17%+-15%, боргидрида бериллия - 15,17%+-15%. Еще лучшее удельное тепловыделение будет в реакции 7:

Соотношение компонентов в этой реакции: боргидрида бериллия - 22,78%+-15%, нитрата бора - 77,22%+-15%. Еще лучшее удельное тепловыделение будет в реакции 8:

Соотношение компонентов в этой реакции: боргидрида бериллия - 22,54%+-15%, нитрата бериллия - 77,46%+-15%. Еще лучшее удельное тепловыделение будет в реакции 9, где применено ПОЛОВИННОЕ ГОРЕНИЕ боргидрида бериллия с выделением водорода (если ожидаемое удельное тепловыделение реакции меньше 15,78 мДж/кг для окислителя в виде жидкого кислорода или меньше 10,6 мДж/кг для твердого окислителя (пятиокись азота), то не имеет смысла окислять водород до воды):

Соотношение компонентов в этой реакции: боргидрида бериллия - 36,78%+-15%, нитрата бериллия - 63,22%+-15%. Выделение выхлопного газа в виде водорода дает большую скорость звука в этом газе. Правда, он будет загрязнен парами оксида бора. В этой и подобных реакциях возможна побочная реакция окисления водорода до воды. Но при такой температуре вода будет реагировать с бором с образованием оксида бора, так как бор, бериллий и алюминий находятся в ряду напряжений левее водорода, и будут вытеснять его из воды.

Эти горючие и топлива на их основе (ракетное топливо, это горючее плюс окислитель) хорошо подходят для ответственных ракет: межконтинентальных, зенитных, «воздух-воздух», «воздух-земля». Для менее ответственных ракет можно применить горючие более дешевые и с совершенно не токсичными продуктами горения. Реакция 10.

Соотношение компонентов реакции: триметилалюминия - 16,89%+-15%, нитрата бора - 69,19%+-15%, борида алюминия AlB3 (они бывают разного состава) - 13,92%+-13% (так как связь между атомами борида слабая, то можно, и даже лучше, взять отдельно алюминий, отдельно бор в соотношении: алюминий 6,32%, бор 7,60%).

Тройная реакция триметилалюминия с нитратом алюминия и боридом алюминия может происходить по следующим уравнениям:

Соотношение компонентов реакции: триметилалюминия - 11.68%, нитрата алюминия - 69,05%, борида алюминия AlB3 (они бывают разного состава) - 19,27% (так как связь между атомами борида слабая, то можно, и даже лучше, взять отдельно алюминий, отдельно бор в соотношении: алюминий 8,75%, бор 10,52%). В реакции 12 водород не окисляется до воды:

Соотношение компонентов реакции: триметилалюминия - 14,47%, нитрата алюминия - 64,53%, борида алюминия AlB3 (они бывают разного состава) - 18,00% (так как связь между атомами борида слабая, то можно, и даже лучше, взять отдельно алюминий, отдельно бор в соотношении: алюминий 8,18%, бор 9,82%). В реакции 13 углерод не окисляется до углекислого газа (теплотворная способность смеси углерода и кислорода всего 8,94 мДж/кг):

Соотношение компонентов реакции: триметилалюминия - 20,92%, нитрата алюминия - 61,84%, борида алюминия AlB3 (они бывают разного состава) - 17,24%.

Соотношение компонентов во всех трех реакциях укладывается в пределы: триметилалюминия - 10,92-30,92%, нитрата алюминия - 51,84-71,84%, борида алюминия AlB3 (они бывают разного состава) - 7,24-27,24% (так как связь между атомами борида слабая, то можно, и даже лучше, взять отдельно алюминий, отдельно бор в соотношении: алюминий 7,83%, бор 9,41%). Однако невозможно избирательно окислять либо водород, либо углерод. Скорее всего будет образовываться некоторое количество окиси углерода СО.

И последнее - реакция образования нитрида бора активнее идет в присутствии восстановителя (которым, кстати, является и водород). Поэтому желательно наличие в топливе мелкодисперсного (желательно наноразмеров) угля, сажи, графита, графена - одного из этих компонентов или их комбинации. Наличие водорода в продуктах реакции уменьшает потребность в этих добавках, или потребность в них отпадает совсем.

Изобретение относится к ракетным топливам для жидкостных, твердотопливных и гибридных ракетных двигателей, а также для поршневых, турбореактивных двигателей. По приведенной теплотворной способности (на единицу истраченного кислорода) лучшими ракетными топливами являются некоторые металлы. Ракетное топливо (и его варианты) содержит металлорганические соединения, в состав которых уже входят связанные металлы, это, например, гидриды металлов, бориды металлов. В качестве окислителя топливо содержит нитросоединения, например динитрамид аммония. В качестве горючего целесообразно использовать смесь металлорганического соединения с жидким или твердым соединением бора или с бором, чтобы увеличить тепловыделение реакции за счет образования нитрида бора. Бор также может быть в ракетном топливе в виде нитрата бора. В качестве горючего использованы триметилалюминий, диметилбериллий, боргидрид бериллия, борид алюминия. В качестве окислителя также используют: нитрат бора, нитрат бериллия. Желательно наличие в топливе мелкодисперсного (желательно наноразмеров) угля, сажи, графита, графена. 8 н. и 1 з.п. ф-лы.

1. Ракетное топливо, содержащее металлосодержащие соединения и отличающееся тем, что соотношение компонентов: диметилбериллия - 0,52-10,52%, динитрамида аммония - 55,06 -85,06%, бора - 14,42-34,42%.
2 Ракетное топливо, содержащее металлосодержащие соединения и отличающееся тем, что соотношение компонентов: диметилбериллия - 2,21-22,21%, нитрата бора - 72,02-92,02%, диборана - 0,77-10,77%.

3. Ракетное топливо, содержащее металлосодержащие соединения и отличающееся тем, что соотношение компонентов: диметилбериллия - 0,66-14,66%, нитрата бора - 67,17-87,17%, боргидрида бериллия - 5,17-25,17%.

4. Ракетное топливо, содержащее металлосодержащие соединения и отличающееся тем, что соотношение компонентов: боргидрида бериллия - 12,78-32,78%, нитрата бора - 67,22-87,22%.

5. Ракетное топливо, содержащее металлосодержащие соединения и отличающееся тем, что соотношение компонентов: боргидрида бериллия - 12,54-32,54%, нитрата бериллия -67,46-87,46%.

6. Ракетное топливо, содержащее металлосодержащие соединения и отличающееся тем, что соотношение компонентов: боргидрида бериллия - 26,78-46,78%, нитрата бериллия -53,22-73,22%.

7. Ракетное топливо, содержащее металлосодержащие соединения и отличающееся тем, что соотношение компонентов: триметилалюминия - 6,89-26,89%, нитрата бора - 59,19-79,19%, борида алюминия AlB3 - 3,92 -23,92% (так как связь между атомами борида слабая, то можно, и даже лучше, взять отдельно алюминий, отдельно бор в соотношении: алюминий 6,32%, бор 7,60%).

8. Ракетное топливо, содержащее металлосодержащие соединения и отличающееся тем, что соотношение компонентов: триметилалюминия - 10,92-30,92%, нитрата алюминия -51,84-71,84%, борида алюминия AlB3 - 7,24-27,24%

9. Топливо по п.8, отличающееся тем, что имеется наличие в топливе мелкодисперсного угля, сажи, графита, графена.