РАКЕТНОЕ ТОПЛИВО СТАРОВЕРОВА - 17 /ВАРИАНТЫ/ Российский патент 2016 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. Изобретение предназначено для гибридных и жидкостных двигателей.

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 и давление водорода, скорость звука резко возрастет. Например, водород с температурой всего 650 градусов С (это ниже температуры его воспламенения) будет иметь при нормальном давлении скорость звука 2360 м/сек.

Кроме того, большинство РТ содержат связанный азот, который при горении выделяется и в свободном виде. Его можно заставить экзотермически реагировать с целью повышения тепловыделения реакции с мелкодисперсным (желательно, наноразмеров) бором или с 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 выделяющегося газа с малым средним молекулярным весом - водорода. Свободный азот, пары воды и, особенно, «тяжелый» CO2 нежелательны.

Эта цель достигается, во-первых, тем, что происходит реакция «половинного горения» гидридов и боргидридов (то есть окисляется только металл, иногда бор). А во-вторых, тем, что идет вторая энергетическая реакция - реакция бора с азотом с образованием нитрида бора. При температуре 800-1200 градусов С происходит реакция:

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.

В РТ возможны тройные (три исходных компонента) двуэнергетические реакции (две энергетические реакции: кислород металл и азот-бор) типа «боргидрид-окислитель-гидрид» (они рассмотрены мной ранее). Они обеспечивают хорошее тепловыделение. Но иногда бывает полезнее увеличить объем выделяющегося водорода и снизить температуру реакции, чтобы не допустить потери тепла на испарение или плавление твердых получившихся компонентов реакции и не допустить загрязнения водорода парами этих веществ. Для этого в реакцию можно добавить аммиак.

Рассмотрим составы таких топлив с некоторыми наиболее перспективными соединениями.

СОЕДИНЕНИЯ БЕРИЛЛИЯ.

Применение гидридов бериллия, лития 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 разными окислителями.

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 37,42%±15%, азотная кислота - 40,62%±15%, аммиак - 21,96%±15%, (здесь и далее - мас. %).

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 41,21%±15%, пятиокись азота - 24,67%±15%, аммиак - 31,12%±15%.

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 43,93%±15%, нитрат аммония 30,29%±15%, аммиак - 25,78%±15%.

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 44,60%±15%, динитрамид аммония (далее ДНА) - 35,76%±15%, аммиак - 19,64%±15%.

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 42,60%±15%, нитрат бора 24,07%±20%, аммиак - 33,33%±15%. Исходное количество аммиака в этой реакции слишком велико, поэтому желательно добавить к предыдущей реакции гидрид бериллия, при этом пойдет параллельная реакция:

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 17,20%±15%, нитрат бора - 58,30%±20%, гидрид бериллия - 24,50%±10%. Комбинируя эти две реакции, можно добиться нужного оптимального исходного содержания аммиака. То есть реакция получится четырехкомпонентной. Этот же способ можно применить и ко всем рассмотренным выше и ниже реакциям.

Также все выше и ниже описанные реакции можно комбинировать между собой для получения нужной общей скорости реакции.

Далее:

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 41,81%±15%, нитрат бериллия - 28,75%±15%, аммиак - 29,44%±15%. С недавно открытым веществом N306 возможна реакция:

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 44,35%±15%, шестиокись азота - 26,37%±15%, аммиак - 29,28%±15%.

Может пойти побочная реакция образования воды из водорода, но при таких температурах гидрид бериллия или сам бериллий будет 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 двуэнергетическая 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.

Реакция боргидрида лития:

Соотношение компонентов: боргидрид лития - 47,55%±15%, динитрамид аммония - 33,85%±15%, аммиак - 18,60%±15%. Или возможна такая же реакция с боргидридом алюминия:

Соотношение компонентов: боргидрид алюминия - 49,80%±15%, динитрамид аммония - 32,40%±15%, аммиак - 17,80%±15%.

Реакция ДНА с боргидридом лития-алюминия является сумой этих двух реакций (далее также следует иметь в виду, что реакция с литием-алюминием эквивалентна двум реакциям - с литием и с алюминием).

Рассмотрим возможные реакции:

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 48,57%±15%, азотная кислота - 21,87%±15%, аммиак - 29,56%±15%.

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 48,85%±15%, пятиокись азота - 22,62%±15%, аммиак - 28,53%±10%.

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 48,57%±15%, нитрат аммония - 27,78%±15%, аммиак - 23,65%±15%.

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 49,26%±15%, динитрамид аммония - 32,75%±15%, аммиак - 17,99%±15%.

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 47,22%±15%, нитрат бора - 22,14%±15%, аммиак - 30,64%±15%.

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 46,41%±15%, нитрат бериллия - 26,47%±15%, аммиак - 27,12%±15%. С недавно открытым веществом N3O6 возможна реакция:

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 49,00%±15%, шестиокись азота - 24,16%±15%, аммиак - 26,34%±15%.

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 аммиак с разными окислителями.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 46,96%±15%, азотная кислота - 22,56%±15%, аммиак - 30,48%±15%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 47,22%±15%, пятиокись азота - 23,33%±15%, аммиак - 29,46%±15%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 46,96%±15%, нитрат аммония безводный - 28,65%±15%, аммиак - 24,39%±15%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 47,65%±15%, динитрамид аммония - 33,80%±15%, аммиак - 18,55%±15%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 45,61%±15%, нитрат бора - 22,81%±15%, аммиак - 31,58%±15%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 44,81%±15%, нитрат бериллия - 27,26%±15%, аммиак - 27,92%±15%. С недавно открытым веществом N3O6 возможна реакция:

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 47,39%±15%, шестиокись азота - 24,93%±15%, аммиак - 27,68%±15%.

СОЕДИНЕНИЯ БОРА - ТЕТРАБОРАН (жидкий).

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:

Соотношение компонентов: тетраборан - 29,89%±25%, азотная кислота - 60,56%±30%, аммиак - 9,55%±9%. При этом следует иметь в виду, что так как бор является в данных реакциях и горючим веществом, и реагирует с азотом, то соотношения компонентов могут быть различными. Именно поэтому в разделе «соединения бора» взяты такие большие допуски содержания ингредиентов. То есть каждая реакция с боранами представляет собой две параллельные реакции (то же относится и к декаборану, см. ниже):

Соотношение компонентов: тетраборан - 43,91%±15%, аммиак - 56,09%±15%. И вторая реакция:

Соотношение компонентов: тетраборан - 38,83%±15%, азотная кислота - 61,17%±15%. Комбинируя эти две реакции можно получить различные сочетания коэффициентов реакции, в том числе - дробные.

Далее:

Соотношение компонентов: тетраборан - 40,49%±35%, пятиокись азота - 49,17%±45%, аммиак - 10,34%±10%.

Соотношение компонентов: тетраборан - 41,85%±35%, нитрат аммония - 31,41%±25%, аммиак - 26,74%±25%.

Соотношение компонентов: тетраборан - 42,08%±35%, ДНА - 48,96%±40%, аммиак - 8,96%±8%.

Соотношение компонентов: тетраборан - 37,65%±35%, нитрат бора - 46,32%±45%, аммиак - 16,03%±16%.

Соотношение компонентов: тетраборан - 36,33%±35%, нитрат бериллия - 54,38%±40%, аммиак - 9,29%±9%.

Соотношение компонентов: тетраборан - 40,75%±35%, шестиокись азота - 52,74%±40%, аммиак - 6,51%±6%.

СОЕДИНЕНИЯ БОРА - ДЕКАБОРАН (твердый).

Как сказано выше, все реакции с боранами представляют собой две параллельные реакции, например реакции \26-а\ и \26-б\. Рассмотрим реакции тетраборана с разными окислителями:

Соотношение компонентов: декаборан - 37,68%±35%, азотная кислота - 51,81%±45%, аммиак - 10,51%±10%.

Соотношение компонентов: декаборан - 38,40%±35%, пятиокись азота - 50,90%±45%, аммиак - 10,70%±10%.

Соотношение компонентов: декаборан - 39,12%±35%, нитрат аммония - 42,71%±35%, аммиак - 18,17%±18%.

Соотношение компонентов: декаборан - 40,33%±35%, ДНА - 40,94%±35%, аммиак - 18,73%±18%.

Соотношение компонентов: декаборан - 34,61%±25%, нитрат бора - 55,74%±30%, аммиак- 9,65%±9%.

Соотношение компонентов: декаборан - 34,35%±25%, нитрат бериллия - 56,08%±30%, аммиак - 9,57%±9%.

Соотношение компонентов: декаборан - 39,26%±35%, шестиокись азота - 44,33%±35%, аммиак - 16,41%±16%.

Все перечисленные водородовыделяющие РТ значительно повысят обороноспособность нашей страны.

Для управления скоростью реакции перечисленные составы могут смешиваться в любой пропорции, или в любой из вышеперечисленных зарядов может быть добавлен гидрид и/или боргидрид металла или бора. При этом последние практически не участвуют в ходе реакции, хотя и участвуют в изменении концентрации реагирующих веществ, практически можно считать, что они лишь претерпевают термическое разложение с выделением водорода.

ПРИМЕР 1: ВеН2 = Be + Н2.

ПРИМЕР 2: В2Н6 = 2В + 3Н2.

Два этих примера дают пример боргидрида.

ПРИМЕР 3: Be(ВН4)2 = Be + 2В + 4Н2

Изобретение относится к ракетным топливам. Изобретения основано на том, что кислород реагирует только с металлом боргидрида (согласно ряду напряжений), а бор экзотермически реагирует с азотом и увеличивает энергетику реакции. Соединения бора, например бораны, боргидриды, кроме того, еще и дают большое количество водорода. Рассмотрены наиболее энергетичные боргидриды бериллия, алюминия, лития, лития-алюминия, кремния, тетраборан и декаборан в комбинациях с семью разными окислителями: азотной кислотой, пятиокисью азота, нитратом аммония, динитрамидом аммония, нитратом бора, нитратом бериллия, шестиокисью азота. Для увеличения количества выделяющегося водорода в реакцию добавлен аммиак. Техническим результатом изобретения является повышение скорости реактивной струи при повышении энергетики реакции за счет выделения газа с малым средним молекулярным весом - водорода. 38 н. и 1 з.п. ф-лы.

1. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 37,42±15 мас.%, азотная кислота - 40,62±15 мас.%, аммиак - 21,96±15 мас.%.

2. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 41,21±15 мас.%, пятиокись азота - 24,67±15 мас.%, аммиак - 31,12±15 мас.%.

3. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 43,93±15 мас.%, нитрат аммония 30,29±15 мас.%, аммиак - 25,78±15 мас.%.

4. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 44,60±15 мас.%, динитрамид аммония (далее ДНА) - 35,76±15 мас.%, аммиак - 19,64±15 мас.%.

5. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 42,60±15 мас.%, нитрат бора 24,07±20 мас.%, аммиак - 33,33±15 мас.%.

6. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 17,20±15 мас.%, нитрат бора - 58,30±20 мас.%, гидрид бериллия - 24,50±10 мас.%.

7. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 41,81±15 мас.%, нитрат бериллия - 28,75±15 мас.%, аммиак - 29,44±15 мас.%.

8. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 44,35±15 мас.%, шестиокись азота - 26,37±15 мас.%, аммиак - 29,28±15 мас.%.

9. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития - 47,55±15 мас.%, динитрамид аммония - 33,85±15 мас.%, аммиак - 18,60±15 мас.%.

10. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид алюминия - 49,80±15 мас.%, динитрамид аммония - 32,40±15 мас.%, аммиак - 17,80±15 мас.%.

11. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 48,57±15 мас.%, азотная кислота - 21,87±15 мас.%, аммиак - 29,56±15 мас.%.

12. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 48,85±15 мас.%, пятиокись азота - 22,62±15 мас.%, аммиак - 28,53±10 мас.%.

13. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 48,57±15 мас.%, нитрат аммония - 27,78±15 мас.%, аммиак - 23,65±15 мас.%.

14. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия -49,26±15 мас.%, динитрамид аммония - 32,75±15 мас.%, аммиак - 17,99±15 мас.%.

15. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 47,22±15 мас.%, нитрат бора - 22,14±15 мас.%, аммиак - 30,64±15 мас.%.

16. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 46,41±15 мас.%, нитрат бериллия - 26,47±15 мас.%, аммиак - 27,12±15 мас. %.

17. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 49,00±15 мас.%, шестиокись азота - 24,16±15 мас.%, аммиак - 26,34±15 мас.%.

18. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид кремния - 46,96±15 мас.%, азотная кислота - 22,56±15 мас.%, аммиак - 30,48±15 мас.%.

19. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид кремния - 47,22±15 мас.%, пятиокись азота - 23,33±15 мас. %, аммиак - 29,46±15 мас.%.

20. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид кремния - 46,96±15 мас.%, нитрат аммония безводный - 28,65±15 мас.%, аммиак - 24,39±15 мас.%.

21. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид кремния - 47,65±15 мас.%, динитрамид аммония - 33,80±15 мас.%, аммиак - 18,55±15 мас.%.

22. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид кремния - 45,61±15 мас.%, нитрат бора - 22,81±15 мас.%, аммиак - 31,58±15 мас.%.

23. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид кремния - 44,81±15 мас.%, нитрат бериллия - 27,26±15 мас.%, аммиак - 27,92±15 мас.%.

24. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид кремния - 47,39±15 мас.%, шестиокись азота - 24,93±15 мас.%, аммиак - 27,68±15 мас.%.

25. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: тетраборан - 29,89±25 мас.%, азотная кислота - 60,56±30 мас.%, аммиак - 9,55±9 мас.%.

26. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: тетраборан - 40,49±35 мас.%, пятиокись азота - 49,17±45 мас.%, аммиак - 10,34±10 мас.%.

27. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: тетраборан - 41,85±35 мас.%, нитрат аммония - 31,41±25 мас.%, аммиак - 26,74±25 мас.%.

28. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: тетраборан - 42,08±35 мас.%, динитрамид аммония - 48,96±40 мас.%, аммиак - 8,96±8 мас.%.

29. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: тетраборан - 37,65±35 мас.%, нитрат бора - 46,32±45 мас. %, аммиак -16,03±16 мас.%.

30. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: тетраборан - 36,33±35 мас.%, нитрат бериллия - 54,38±40 мас.%, аммиак - 9,29±9 мас.%.

31. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: тетраборан - 40,75±35 мас.%, шестиокись азота - 52,74±40 мас.%, аммиак - 6,51±6 мас.%.

32. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: декаборан - 37,68±35 мас.%, азотная кислота - 51,81±45 мас.%, аммиак - 10,51±10 мас.%.

33. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: декаборан - 38,40±35 мас.%, пятиокись азота - 50,90±45 мас.%, аммиак - 10,70±10 мас.%.

34. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: декаборан - 40,33±35 мас.%, ДНА - 40,9±35 мас.%, аммиак - 18,73±18 мас.%.

35. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: декаборан - 34,61±25 мас.%, нитрат бора - 55,74±30 мас.%, аммиак - 9,65±9 мас.%.

36. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: декаборан - 34,35±25 мас.%, нитрат бериллия - 56,08±30 мас.%, аммиак - 9,57±9 мас. %.

37. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: декаборан - 39,26±35 мас.%, шестиокись азота - 44,33±35 мас.%, аммиак - 16,41±16 мас. %.

38. Ракетное топливо по любому из пп. 1-37, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит гидрид и/или боргидрид металла или бора или содержит дополнительное к указанному в пп. 1-24 количество этих компонентов.

39. Ракетное топливо, отличающееся тем, что представляет собой смесь топлив по любому из пп. 1-38.