СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ И РАКЕТНОЕ ТОПЛИВО /ВАРИАНТЫ/ Российский патент 2015 года по МПК C06D5/06 C06B47/10 C06B47/04 C06B31/00 

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. № US 2328519. 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/с, и для ее повышения требуется расширяющееся реактивное сопло.

Между тем скорость звука в водороде даже при нормальных температуре и давлении 1330 м/с. А если еще и немного повысить температуру водорода, скорость звука резко возрастет. Например, водород с температурой всего 650°С (это ниже температуры его воспламенения) будет иметь скорость звука 2360 м/с, и сможет разогнать осколки до скорости 2200 м/с. 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» CO2 нежелательны.

ПРИМЕР. В любое РТ добавляются бораны и/или боргидриды. При температуре 800-1200°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 нуждается, 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.

СОЕДИНЕНИЯ БЕРИЛЛИЯ.

Применение гидридов бериллия и алюминия известно в ракетной технике, но они применяются в других комбинациях и с другим количеством окислителя. Рассмотрим реакции наиболее энергетичных гидрида и боргидрида бериллия с другими окислителями (кроме нитрата аммония в прототипе, см. реакция \6\ в прототипе). При горении в кислороде бериллий дает наибольшую теплоту реакции = 23,91 кДж/г-смеси

Соотношение компонентов: динитрамида аммония (далее ДНА) - 55,50%+-15%, боргидрида бериллия - 34,63%+-10%, гидрида бериллия - 9,87%+-5% (здесь и далее -масс. %).

При герметизации полости взрывного устройства возможна следующая реакция с пятиокисью азота

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 20,88%+-10%, пятиокись азота - 56,6%+-15%, гидрид бериллия - 23,12%+-10%. Тепловыделение достаточно высокое - 17,76 кДж/г.

Возможна реакция боргидрида бериллия с нитратом бора

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 37,1%+-15%, нитрат бора 62,9%+-20%.

Или лучше добавить к предыдущей реакции гидрид бериллия

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 17,20%+-15%, нитрат бора - 58,30%+-20%, гидрид бериллия - 24,50%+-10%.

Возможна реакция боргидрида бериллия и гидрида бериллия с нитратом бериллия

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 17,93%+-15%, нитрат бериллия - 61,63%+-20%, гидрид бериллия - 20,44%+-10%.

Возможна реакция с нитратом аммония

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 27,48%+-15%, нитрат аммония 56,85%+-20%, гидрид бериллия - 15,67%+-10%.

В гибридном двигателе возможна реакция с азотной кислотой

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 17,6%+-10%, азотная кислота - 57,32%+-15%, гидрид бериллия - 25,08%+-10%. Тепловыделение 16,64 кДж/г. (полезно растворить в кислоте пятиокись азота).

С недавно открытым веществом N3O6 возможна реакция

Соотношение компонентов: боргидрида бериллия - 23,26%+-10%, шестиокиси азота - 56,17%+-10%, гидрида бериллия - 20,20%+-10%.

Может пойти побочная реакция образования воды из водорода, но при таких температурах гидрид бериллия или сам бериллий будут реагировать с водяными парами и разлагать воду обратно до водорода.

Может пойти побочная реакция образования оксида бора, но в присутствии вышеназванных восстановителей он будет реагировать с азотом с образованием нитрида бора.

СОЕДИНЕНИЯ ЛИТИЯ-АЛЮМИНИЯ.

Более дешевой химической реакцией может быть также тройная (участвуют три компонента) двуэнергетическая (идут две энергетических реакции: кислород-металл и азот-бор) реакция лития или алюминия и их соединений с участием бора литий обладает вторым после бериллия тепловыделением на единицу смеси - 19,93 кДж/г, а алюминий - на четвертом месте - 16,43 кдж/г-смеси. Но алюминий обладает другими достоинствами - он недефицитен и нетоксичен. Литий трудно разделяется с алюминием, и поэтому наиболее распространено их комплексное соединение.

Соотношение компонентов: боргидрид лития - 35,85%+-10%, динитрамид аммония - 51,06%+-15%, гидрид лития - 13,09%+-5% (здесь и далее - масс. %).

Или возможна такая же реакция с алюминием

Соотношение компонентов: боргидрид алюминия - 23.66%+-10%, динитрамид аммония - 57,76%+-15%, гидрид алюминия - 18,58%+-5%.

Реакция с боргидридом и гидридом лития-алюминия является суммой этих двух реакций (и далее также следует иметь ввиду, что реакция с литием-алюминием эквивалентна двум реакциям - с литием и с алюминием)

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 29,75%+-10%, динитрамид аммония - 54,41%+-15%, гидрид лития-алюминия - 15,84%+-5%.

Возможна реакция с более доступным нитратом аммония безводным

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 28,33%+-10%, нитрат аммония - 48,62%+-15%, гидрид лития-алюминия - 23,05%+-10%.

Высокоэнергетична реакция с пятиокисью азота

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 20,23%+-10%, пятиокись азота - 46,85%+-15%, гидрид лития-алюминия - 32,92%+-10%.

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 11,80%+-10%, нитрат бора - 49,80%+-15%, гидрид лития-алюминия - 38,40%+-10%.

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 16,99%+-10%, нитрат бериллия - 46,85%+-15%, гидрид лития-алюминия - 34,56%+-10%.

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 17,44%+-10%, азотная кислота - 47,10%+-15%, гидрид лития-алюминия - 35,46%+-10%.

С недавно открытым веществом N3O6 возможна реакция

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 23,85%+-10%, шестиокись азота - 47,05%+-15%, гидрид лития-алюминия - 29,10%+-10%.

СОЕДИНЕНИЯ КРЕМНИЯ.

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

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 28,05%+-10%, нитрат аммония безводного - 51,35%+-15%, силан - 20,6+-10%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 28,05%+-10%, динитрамид аммония - 51,35%+-15%, силан - 20,6+-10%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 20,73%+-10%, пятиокись азота - 48,82%+-15%, силан - 30,45+-10%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 11,85%+-10%, нитрат бора - 53,34%+-15%, силан - 34,81%+-10%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 18,14%+-10%, нитрат бериллия - 55,20%+-15%, силан - 26,66+-10%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 17,49%+-10%, азотная кислота - 50,40%+-15%, силан - 32,11+-10%.

С недавно открытым веществом N3O6 возможна реакция

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 23,77%+-10%, шестиокись азота - 50,03%+-15%, силан - 26,20+-10%.

СОЕДИНЕНИЯ БОРА.

Бор находится на третьем месте по тепловыделению реакции с кислородом - 18,02 кДж/г-смеси.

Бор может выступать и в качестве горючего, и в качестве источника второй энергетической реакции с азотом. Наиболее перспективен тетраборан - он содержит чуть меньше водорода, чем диборан (2,5 атома водорода на 1 атом бора вместо 3), зато легко сжижается (+18°C), и имеет примерно в 4 раза большую плотность в сжиженном состоянии, чем диборан в сверхкритическом состоянии. Еще более удобен в обращении декаборан - он твердый, но он содержит мало водорода - всего 1,4 атома водорода на 1 атом бора.

Рассмотрим реакции тетраборана с разными окислителями (он может только в гибридных двигателях)

Соотношение компонентов: тетраборан - 39,98%+-15%, нитрат аммония - 60,02%+-15%.

Соотношение компонентов: тетраборан - 39,69%+-15%, пятиокись азота - 60,31%+-15%.

Соотношение компонентов: тетраборан - 39,69%+-15%, нитрат бора - 60,31%+-15%.

Соотношение компонентов: тетраборан - 34,83%+-15%, нитрат бериллия - 65,17%+-15%.

Соотношение компонентов: тетраборан - 41,74%+-15%, ДНА - 58,26%+-15%.

Соотношение компонентов: тетраборан - 38,83%+-15%, азотная кислота - 61,17%+-15%.

Соотношение компонентов: тетраборан - 40,34%+-15%, шестиокись азота - 59,66%+-15%.

Все перечисленные водородовыделяющие взрывчатые вещества значительно повысят обороноспособность нашей страны.

Изобретение относится к ракетным топливам. Предложены варианты ракетного топлива, включающие боргидрид и гидрид бериллия, лития, алюминия, лития-алюминия или кремния или тетраборан и азотсодержащий окислитель: нитрат аммония, динитрамид аммония, нитрат бора, нитрат бериллия, пятиокись азота, шестиокись азота, азотную кислоту. Техническим результатом является повышение скорости реактивной струи за счет повышения энергетики реакции и за счет увеличения выделяющихся газов с малым средним молекулярным весом, в частности, водорода. 25 н.п. ф-лы.

1. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 27,48±15 мас.%, нитрат аммония 56,85±20 мас.%, гидрид бериллия - 15,67±10 мас. %.

2. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 23,26±10 мас.%, шестиокись азота - 56,17±10 мас.%, гидрид бериллия - 20,20±10 мас.%.

3. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития - 35,85±10 мас.%, динитрамид аммония - 51,06±15 мас.%, гидрид лития - 13,09±5 мас.%.

4. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид алюминия - 23.66±10 мас.%, динитрамид аммония - 57,76±15 мас.%, гидрид алюминия - 18,58±5 мас.%.

5. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 29,75±10 мас.%, динитрамид аммония - 54,41±15 мас.%, гидрид лития-алюминия - 15,84±5 мас.%.

6. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 28,33±10 мас.%, нитрат аммония - 48,62±15 мас.%, гидрид лития-алюминия - 23,05±10 мас.%.

7. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 20,23±10 мас.%, пятиокись азота - 46,85±15 мас.%, гидрид лития-алюминия - 32,92±10 мас.%.

8. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 11,80±10 мас.%, нитрат бора - 49,80±15 мас.%, гидрид лития-алюминия - 38,40±10 мас.%.

9. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 16,99±10 мас.%, нитрат бериллия - 46,85±15 мас.%, гидрид лития-алюминия - 34,56±10 мас.%.

10. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 17,44±10 мас.%, азотная кислота - 47,10±15 мас.%, гидрид лития-алюминия - 35,46±10 мас.%.

11. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 23,85±10 мас.%, шестиокись азота - 47,05±15 мас.%, гидрид лития-алюминия - 29,10±10 мас.%.

12. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид кремния - 28,05±10 мас.%, нитрат аммония безводный - 51,35±15 мас.%, силан - 20,6±10 мас.%.

13. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид кремния - 28,05±10 мас.%, динитрамид аммония - 51,35±15 мас.%, силан - 20,6±10 мас.%.

14. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид кремния - 20,73±10 мас.%, пятиокись азота - 48,82±15 мас.%, силан - 30,45±10 мас.%.

15. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид кремния - 11,85±10 мас.%, нитрат бора - 53,34±15 мас.%, силан - 4,81±10 мас.%.

16. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид кремния - 18,14±10 мас.%, нитрат бериллия - 55,20±15 мас.%, силан - 26,66±10 мас.%.

17. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид кремния - 17,49±10 мас.%, азотная кислота - 50,40±15 мас.%, силан - 32,11±10 мас.%.

18. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид кремния - 23,77±10 мас.%, шестиокись азота - 50,03±15 мас.%, силан - 26,20±10 мас.%.

19. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: тетраборан - 39,98±15 мас.%, нитрат аммония - 60,02±15 мас.%.

20. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: тетраборан - 39,69±15 мас.%, пятиокись азота - 60,31±15 мас.%.

21. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: тетраборан - 39,69±15 мас.%, нитрат бора - 60,31±15 мас.%.

22. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: тетраборан - 34,83±15 мас.%, нитрат бериллия - 65,17±15 мас.%.

23. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: тетраборан - 41,74±15 мас.%, ДНА - 58,26±15 мас.%.

24. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: тетраборан - 38,83±15 мас.%, азотная кислота - 61,17±15 мас.%.

25. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: тетраборан - 40,34±15 мас.%, шестиокись азота - 59,66±15 мас.%.