ТОПЛИВО ДЛЯ ГИПЕРЗВУКОВОГО ПРЯМОТОЧНОГО ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2016 года по МПК C10L1/14 F02K9/08 

Настоящее изобретение относится к топливам для прямоточных воздушно-реактивных двигателей, в частности к составам на основе борорганических соединений, обладающих высокой удельной теплотой сгорания, в составе которых содержатся добавки.

Известно, что в качестве горючего для ГПВРД были предложены сжиженные водород и метан [2, 3], а также углеводородные горючие марок JP-7, JP-10 [2, 3, 4]. Известны жидкие борсодержащие горючие, представляющие собой смеси изопропилметакарборана с углеводородами: толуол, циклин, квадран, нафтил, алкилпроизводные бензола, а также топливами Т-6, RJ-5 и некоторыми другими [5]. Известны композиции твердого горючего, содержащие в своем составе карборан (C₂B₁₀H₁₂) и его производные в количестве 4-15 % масс. [6].

Наиболее близким аналогом заявляемого технического решения является топливо для импульсного детонационного двигателя, состоящее из горючего Т-10 и 0,7-1% трет-бутилгидропероксида [7]. Имея существенные преимущества перед предшествовавшими аналогами, указанное техническое решение предназначено для двигателей, рабочим процессом в которых является детонация. Организация процесса сверхзвукового горения топлива имеет существенную особенность: для достижения устойчивости горения топлива в камере сгорания ГПВРД необходимо, чтобы воспламенение топливно-воздушной смеси происходило за время 1-2 мс [2]. При скорости воздушного потока в камере сгорания около 1,5 М и длине камеры сгорания около 2 м добиться этого крайне сложно ввиду продолжительного периода задержки воспламенения смеси.

Технической задачей настоящего изобретения является создание топлива для гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя с повышенной энергоемкостью, с улучшенными условиями его сжигания в камере сгорания за счет введения в состав добавки - изопропилнитрата, сокращающей период задержки воспламенения топливно-воздушной смеси, с получением состава (% масс.):

1,7-диметилдикарба-клозо-октокарборан 70 горючее Т-10 29-29,5 изопропилнитрат 0,5-1

Проблематичность применения жидких углеводородных горючих и смесей на их основе для ГПВРД обусловлена несколькими причинами. Одна из них связана с трудностями организации устойчивого процесса горения и эффективного сжигания топлива во всем диапазоне характеристик ГПВРД. Традиционные способы стабилизации пламени не всегда эффективны из-за высокого уровня скоростей потока в камере сгорания (до 1,5 М) и больших потерь импульса [2]. Трудность организации рабочего процесса в двигателе также связана с относительно небольшой длиной камеры сгорания (≈2 м), что накладывает существенные ограничения на продолжительность периода задержки воспламенения компонентов используемой смеси, он может быть значительно сокращен за счет использования соответствующих активирующих добавок.

Активирующий эффект изопропилнитрата обусловлен заменой первичного разложения углеводорода топлива более энергетически выгодной реакцией разложения добавки. По литературным данным [8] разложение нитратов по связи O-N происходит с энергией активации 0,15…0,19 МДж/моль вместо 0,37…0,49 МДж/моль в случае топлива без добавок. Образующиеся свободные радикалы инициируют воспламенение топлива.

Эффективность применения топлива с добавкой изопропилнитрата в гиперзвуковом прямоточном воздушно-реактивном двигателе станет очевидна из следующего примера.

ПРИМЕР

На малоразмерной однокамерной установке, моделирующей камеру сгорания ГПВРД, определяли пределы устойчивого горения смеси заявленного в изобретении состава по методике, описанной в [9]:

1,7-диметилдикарба-клозо-октокарборан 70 % масс.; горючее Т-10 29-29,5 % масс., изопропилнитрат 0,5-1 %.

При испытании на данной установке смеси 1,7-диметилдикарба-клозо-октокарборан (70%) и Т-10 (30%) без добавки изопропилнитрата срыв пламени наблюдался при G_B=8,2-8,5 л/мин. При использовании добавки 0,5-1% изопропилнитрата срыв пламени наблюдался при G_B=9,2-9,5 л/мин. Таким образом, при использовании добавки 0,5-1% изопропилнитрата пределы устойчивого горения горючего Т-10 расширяются до значения расхода 1-1,3 л/мин (на 12-15%).

Данную топливную композицию предлагается использовать в гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателях авиационной и ракетно-космической техники.

Представленная топливная композиция решает проблему сокращения периода задержки воспламенения топливно-воздушной смеси в камере сгорания гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя при использовании в них углеводородных топлив и смесей на их основе.

Источники информации

1. Р. Граймс. Карбораны: Монография. - М.: Издательство «МИР», 1974.

2. Артемов О.А. Прямоточные воздушно-реактивные двигатели (расчет характеристик): Монография. - М.: Компания Спутник+, 2006.

3. Tom Anderlis. The way to hyper plane // The Industrial Physicist American Institute of Physics, Дин Андреадис, March 2005.

4. Петрухин Н.В., Сергеев С.М., Прокопенко О.А. Требования к горючим для гиперзвуковых двигателей ракетно-космической техники // Сборник научных трудов ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина» по актуальным вопросам проектирования космических систем и комплексов. - М.: ФГУП НПО им С.А. Лавочкина, 2011.

5. Бакулин В.Н., Дубовкин Н.Ф., Котов В.Н., Сорокин В.А., Францкевич В.П., Яновский Л.С. Энергоемкие горючие для авиационных и ракетных двигателей / Под ред. Л.С. Яновского. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009.

6. Патент России №0002288207.

7. Патент России №2484123.

8. Данилов A.M. Применение присадок в топливах: Справочник. - 3-е изд., доп. - СПб.: ХИМИЗДАТ, 2010.

9. Братков А.А., Серегин Е.П., Горенков А.Ф., Чирков A.M., Ильинский А.А., Зрелов В.Н. Химмотология ракетных и реактивных топлив. - М.: Химия, 1987.

Изобретение описывает топливо для гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя на основе смеси углеводородного горючего Т-10 и 1,7-диметилдикарба-клозо-октокарборана, при этом в смесь дополнительно введен промотор горения изопропилнитрат, при следующем соотношении (% масс.): 1,7-диметилдикарба-клозо-октокарборан - 70; горючее Т-10 - 29-29,5; изопропилнитрат - 0,5-1. Технический результат заключается в создании топлива для гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя с повышенной энергоемкостью, с улучшенными условиями его сжигания в камере сгорания. 1 пр.

Топливо для гиперзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя на основе смеси углеводородного горючего Т-10 и 1,7 - диметилдикарба-клозо-октокарборана, отличающееся тем, что в смесь дополнительно введен промотор горения изопропилнитрат с получением состава (% масс.):
1,7 - диметилдикарба-клозо-октокарборан 70 горючее Т-10 29-29,5 изопропилнитрат 0,5-1