РАКЕТНОЕ ТОПЛИВО СТАРОВЕРОВА-21 /ВАРИАНТЫ/ Российский патент 2015 года по МПК C06D5/06 C06B47/10 C06B31/28 C06B47/04 

Изобретение относится к ракетным топливам (далее РТ), хотя бы один из компонентов которых (горючее, окислитель, или однокомпонентное топливо) содержит связанный азот. Известны РТ, содержащие бор или некоторые соединения бора, см. пат. №1182328519. Однако в них бор используется только как горючее.

Скорость истечения газов зависит от скорости звука в сжатом газе, который образуется в объеме камеры сгорания (у твердотопливных двигателей таковой является весь объем двигателя). В той смеси газов, которая образуется при горении большинства РТ, и при той температуре и давлении скорость звука обычно не превышает 1300 м/сек, и для ее повышения требуется расширяющееся реактивное сопло.

Между тем скорость звука в водороде даже при нормальных температуре и давлении 1330 м/сек. А если еще и немного повысить температуру водорода, скорость звука резко возрастет. Например, водород с температурой всего 650 градусов С (это ниже температуры его воспламенения) будет иметь скорость звука 2360 м/сек, и сможет разогнать осколки до скорости 2200 м/сек. То есть получится «холодный двигатель», в результате которого после адиабатического расширения газ может иметь приблизительно температуру окружающей среды.

Кроме того, большинство РТ содержат связанный азот, который при горении выделяется и в свободном виде. Его можно заставить экзотермически реагировать с целью повышения тепловыделения взрыва с мелкодисперсным (желательно, наноразмеров) бором или его горючими соединениями.

На этом и основана идея данного изобретения. Задача и технический результат изобретения - повышение скорости реактивной струи. Не только за счет повышения энергетики реакции, но и за счет получения выделяющихся газов с малым средним молекулярным весом - водорода и воды. Свободный азот и, особенно, «тяжелый» СО₂ нежелательны.

Например, если РТ содержит бораны и/или боргидриды, то при температуре 800-1200 градусов С происходит реакция образования нитрида бора:

То есть на единицу добавленного бора получается добавочное тепловыделение 23,37 кДж/г. Такая добавка улучшит тепловыделение любого РТ.

Понятно, что количество атомов бора и азота должно относиться как 1:1+-20% (не считая тех случаев, когда бор используется и в качестве основного горючего).

Реакция образования нитрида бора лучше идет в присутствии восстановителей - угля, сажи, графита, графена, водорода. В некоторых реакциях происходит выделение углерода, поэтому в добавочных количествах восстановителя они не нуждаются, в других случаях рекомендуется добавлять мелкодисперсного угля, графита, сажи или графена в количестве 0,0001-1% (оптимально 0,01-0,1%). Присутствие водорода в продуктах реакции уменьшает или даже исключает потребность в углероде.

Рассмотрим реакции с соединениями кремния и наиболее распространенными окислителями, содержащими связанный азот и не содержащими хлора и углерода.

Кремний находится на пятом месте по тепловыделению реакции с кислородом - 15,06 кДж/г-смеси. Но он обладает другим достоинством - это один из наиболее широко распространенных в природе элементов, и его оксид совершенно не токсичен.

Могут использоваться боргидрид кремния и силан с разными окислителями. Так как моносилан - это газ, и храниться он может только в герметичной и достаточно прочной таре, то применяться он может только в гибридных двигателях. Удобнее, хотя и с меньшим содержанием водорода, использовать дисилан - легко сжижающийся газ, имеющий к тому же большую плотность.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 28,23%+-10%, нитрат аммония безводного - 51,68%+-15%, дисилан - 20,09+-10% (здесь и далее - масс.%).

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 36,04%+-10%, динитрамид аммония - 51,14%+-15%, дисилан - 12,82+-10%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 20,44%+-10%, пятиокись азота - 50,48%+-15%, дисилан - 29,08+-10%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 11,98%+-10%, нитрат бора - 53,93%+-15%, дисилан - 34,09%+-10%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 17,19%+-10%, нитрат бериллия - 52,25%+-15%, дисилан - 30,56+-10%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 17,67%+-10%, азотная кислота - 50,91%+-15%, дисилан - 31,42+-10%. С недавно открытым веществом N3O6 возможна реакция:

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 23,97%+-10%, шестиокись азота - 50,45%+-15%, дисилан - 25,58+-10%.

Однако все перечисленные реакции боргидрида кремния возможны и без добавки дисилана, например:

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 46,84%+-15%, динитрамид аммония - 53,16%+-15%.

Все перечисленные водородовыделяющие РТ значительно повысят обороноспособность нашей страны.

Комбинируя различные составы, можно в некоторых пределах регулировать скорость реакции.

Изобретение относится к ракетному топливу, выделяющему водород при горении, и его вариантам. Ракетное топливо содержит боргидрид кремния и одно из следующих соединений: нитрат аммония безводный, динитрамид аммония, пятиокись азота, нитрат бора, нитрат бериллия, азотная кислота или шестиокись азота. Для балансировки реакции может быть добавлен третий компонент - дисилан. Компоненты приведены в определенном соотношении. Все варианты ракетного топлива обеспечивают высокую скорость реактивной струи за счет повышенной энергетики реакций и получения выделяющихся газов с малым средним молекулярным весом - водорода и воды. За счет варьирования компонентов состава и их соотношений возможно регулирование скорости реакции. 8 н.п.ф-лы.

1. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующий состав: боргидрид кремния - 28,23+-10мас.%, нитрат аммония безводный - 51,68+-15мас.%, дисилан - 20,09+-10мас.%.

2. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующий состав: боргидрид кремния - 36,04+-10мас.%, динитрамид аммония - 51,14+-15мас.%, дисилан - 12,82+-10мас.%.

3. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующий состав: боргидрид кремния - 20,44+-10мас.%, пятиокись азота - 50,48+-15мас.%, дисилан - 29,08+-10мас.%.

4. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующий состав: боргидрид кремния - 11,98+-10мас.%, нитрат бора - 53,93+-15мас.%, дисилан - 34,09+-10мас.%.

5. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующий состав: боргидрид кремния - 17,19+-10мас.%, нитрат бериллия - 52,25+-15мас.%, дисилан - 30,56+-10мас.%.

6. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующий состав: боргидрид кремния - 17,67+-10мас.%, азотная кислота - 50,91+-15мас.%, дисилан - 31,42+-10мас.%.

7. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующий состав: боргидрид кремния - 23,97+-10мас.%, шестиокись азота - 50,45+-15мас.%, дисилан - 25,58+-10мас.%.

8. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующий состав: боргидрид кремния - 46,84+-15мас.%, динитрамид аммония - 53,16+-15мас. %.