Нанокомпозитное твердое горючее для прямоточного воздушно-реактивного двигателя Российский патент 2018 года по МПК C06D5/06 

Изобретение относится к твердым горючим для прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД) с дозвуковой и сверхзвуковой скоростью газов в камере сгорания.

Твердые топлива, содержащие в своем составе как горючее, так и окислитель, представляют особый интерес для ПВРД высокоскоростных реактивных систем, поскольку могут иметь существенно более высокую плотность по сравнению с традиционными компонентами топлива, такими как керосин или его производные. Кроме того, реактивные системы на твердых топливах более просты в эксплуатации, более долговечны, как правило, готовы к немедленному использованию и характеризуются более высокой пожаровзрывобезопасностью. При этом твердые горючие на основе ультрадисперсных порошков металлов более стабильны и нечувствительны к детонации по сравнению с другими видами твердых топлив.

Известно твердое топливо для прямоточного воздушно-реактивного двигателя, в котором горючее представляет собой полимерную матрицу из полиолефина с включенным в нее дисперсным металлическим порошком (патент США №6736912). Известное топливо содержит в качестве окислителя кристаллический фторированный углерод, а в состав топлива также входит полимерное связующее - полибутадиены с концевыми карбоксильными группами и полистирол.

Основным недостатком этого топлива для ПВРД является относительно низкая величина теплоты сгорания в расчете на единицу массы топлива и обусловленная этим невысокая величина удельного импульса.

В патенте РФ №2288207 описана композиция твердого горючего, предназначенная для сжигания в до-, сверх- или гиперзвуковом воздушном потоке ПВРД, содержащая полимерную матрицу из полеолефинов (содержание - не менее 36% по массе), ультрадисперсного порошка металлов, в частности алюминия, и карборана. Высокая плотность, а также значительная теплота сгорания указанного твердого горючего достигается, в том числе, за счет высокого содержания металлического порошка (до 50% по массе).

Однако при таком содержании дисперсного металлического порошка резко возрастает время, необходимое для полного сгорания топлива, так как горение микродисперсных частиц - процесс существенно более медленный по сравнению с чисто газофазным горением. Ввиду этого объем камеры сгорания ПВРД, необходимый для обеспечения приемлемой полноты сгорания, может оказаться слишком велик, особенно если скорость газов в ней сверхзвуковая.

Известно твердое топливо для прямоточного воздушно-реактивного двигателя, в котором горючее представляет собой полимерную матрицу из полиолефина с включенным в нее нанодисперсным порошком алюминия (патент РФ №2580735). Известная твердотопливная композиция содержит в качестве окислителя нитрат аммония, а в качестве металлического горючего - смесь в равных долях микродисперсного и нанодисперсного порошков алюминия с размером частиц более 0,1 мкм. Общее содержание металлического горючего в известной твердотопливной композиции не превышает 22%.

Основным недостатком известного твердого горючего является использование в его составе оксидированных порошков алюминия, в которых поверхности металлических частиц покрыты оболочкой из тугоплавкого оксида алюминия, температура плавления которого более чем в 2 раза превышает температуру плавления свободного неоксидированного алюминия. Для разрушения оболочки при горении твердого горючего требуется дополнительное тепло и время.

Поэтому процесс сгорания известного топлива характеризуется недостаточно высокой скоростью и полнотой сгорания горючего, а также значительным временем задержки его воспламенения, и, как следствие, при использовании этого горючего в прямоточных воздушно-реактивных двигателях требует существенного увеличения размеров камеры сгорания.

Техническая проблема заключается в создании для ПВРД с компактной камерой сгорания твердого горючего, обладающего высокой скоростью и полнотой сгорания, как в дозвуковых, так и в сверхзвуковых воздушных потоках.

Техническим результатом изобретения является увеличение скорости и полноты сгорания твердого топлива, что обеспечивает возможность проектирования компактной камеры сгорания для высокоскоростного ПВРД.

Технический результат изобретения достигается тем, что в твердом горючем для прямоточного воздушно-реактивного двигателя, содержащем полимерную матрицу из полиолефина с включенным в нее нанодисперсным порошком алюминия, в качестве нанодисперсного порошка алюминия используют неоксидированные наночастицы алюминия, размер которых не превышает 20 нанометров, при соотношении компонентов, мас.%:

неоксидированные наночастицы алюминия 52-60 полимер матрицы 40-48

Для полимерной матрицы может быть использован атактический (аморфный) полистирол, полиэтилен высокого давления, поли-альфа-метилстирол или 1,4-цис-полибутадиен.

Технический результат при использовании изобретения достигается за счет того, что повышенное содержание в твердом горючем металлического алюминия (более 50%) в виде неоксидированных наночастиц диаметром не более 20 нм позволяет повысить плотность твердого горючего, а также осуществить дисперсионное горение алюминия в воздушном потоке, чем обеспечивается высокая скорость и полнота сгорания горючего в дозвуковых и сверхзвуковых воздушных потоках.

Использование атактического полистирола обеспечивает более равномерное распределение наночастиц алюминия в объеме полимерной матрицы за счет меньшей вязкости при перемешивании, что приводит к повышению скорости горения предложенного твердого топлива. Аналогичный результат обеспечивает использование полиэтилена высокого давления, поли-альфа-метилстирола и 1,4-цис-полибутадиен.

Сущность изобретения поясняется с использованием конкретных примеров его реализации и проиллюстрирована графиком зависимости времени горения микрочастиц оксидированного алюминия и наночастиц неоксидированного алюминия от температуры.

Особенностью дисперсионного горения наночастиц алюминия является, как известно, их механическое разрушение с образованием отдельных алюминиевых кластеров диаметром в несколько нанометров. Известно, что дисперсионный механизм горения реализуется только при достаточно высоких значениях скорости нагрева наночастиц алюминия - не менее 10⁶ К/с (см. например, Ohkura Y., Rao P.М. and Zheng X. // Combustion and Flame. - 2011. - Iss. 158. - P. 2544-2548 или Levitas V.I., Dikici B. and Pantoya M.L. // Combustion and Flame. - 2011. - Iss. 158. - P. 1413).

При горении предложенного нанокомпозитного твердого горючего необходимая скорость нагрева наночастиц алюминия, выброшенных в воздушный поток при газификации связующего, обеспечивается за счет химических реакций, протекающих на поверхности частиц при их контакте с кислородом воздуха. Как показали расчеты, для наночастиц неоксидированного алюминия диаметром менее 20 нм скорость нагрева достигает 10¹⁵ К/сек, что существенно превосходит значения скорости нагрева, при которых становится возможным дисперсионное горение (Timothy Campbell et. al. // PHYSICAL REVIEW LETTERS. - 1999. V. 82 - P. 4856-4869).

Учитывая, что кластеры алюминия, образующиеся в результате механического разрушения при интенсивном нагреве исходных наночастиц, являются фактически очень большими молекулами, характер горения продуктов такой термической газификации нанокомпозитного твердого горючего в смеси с воздухом близок к чисто газофазному. В частности, за счет термической активации газофазных химических реакций происходит существенное ускорение процесса горения с повышением температуры.

Расчеты авторов, результаты которых приведены на графике, показывают, что время горения стехиометрической кластер воздушной смеси, содержащей кластеры алюминия диаметром около 2 нм в интервале температур 1100-2100 К, уменьшается более чем на четыре порядка, что характерно именно для газофазных реагирующих смесей. Расчеты проведены для двух уровней давления: 0,1 МПа (сплошные линии) и 1 МПа (штриховые линии). В расчете учитывалось только испарение кластеров, так как данных о константах скоростей реакций окисления непосредственно кластеров в литературе нет.

На упомянутом выше графике приведены результаты расчета, выполненного авторами, времени горения одиночной микрочастицы оксидированного алюминия в воздухе с помощью корреляционной формулы Бекстеда (см. Бекстед М.В. // Физика горения и взрыва. - 2005. - Т. 41. - №5. - с. 55-69) при давлении 0,1 МПа (сплошные линии) и 1,0 МПа (штриховые линии). Диаметр частиц - 5, 10 и 20 мкм приближенно соответствует размерам промышленных порошков АСД-6, АСД-4 и АСД-1.

Как видно из представленных результатов, при температурах выше 1200-1300 К, время горения кластер-воздушной смеси заметно меньше, по сравнению со временем парофазного горения микрочастиц. Причем, если время горения кластер-воздушной смеси резко падает с ростом температуры, то время горения отдельных частиц почти не зависит от температуры.

Представленные результаты позволяют сделать оценку области целесообразного применения предлагаемого горючего. В первую очередь, это сверхзвуковые и гиперзвуковые ПВРД безгазогенераторной схемы, рассчитанные на высокую скорость полета.

Технология изготовления горючего состоит из следующих этапов:

1 этап - получение неоксидированных наночастиц алюминия в разбавителе;

2 этап - смешение разбавителя с наночастицами алюминия и жидкого преполимера матрицы, образование их эмульсии;

3 этап - струйное распыление эмульсии в инертной газовой среде, в процессе которой происходит испарение летучих углеводородов разбавителя и осаждение жидкого преполимера с неоксидированными наночастицами алюминия;

4 этап - полимеризация преполимера с внедренными в него неоксидированными наночастицами алюминия.

Наиболее важным для раскрытия существа изобретения является первый этап - этап плазменного разложения производимых промышленностью комплексных органоалюминиевых соединений в бескислородной среде, который описан более подробно. Для получения неоксидированных наночастиц алюминия сначала испаряют органоалюминиевое соединение и смешивают его с аргоном, затем газовую смесь пропускают через разрядную ячейку с разрядом. Образующуюся плазменную струю охлаждают распылением из микрофорсунок жидкого разбавителя (толуол, бензол), в процессе охлаждения плазмы образуются неоксидированные наночастицы алюминия в жидком разбавителе.

Остальные этапы получения твердого горючего практически не отличаются от аналогичных этапов известных способов получения твердого горючего.

Ниже приведены примеры композиций твердого нанокомпозитного горючего.

Пример 1:

Связующее: аморфный полистирол (40% по массе). Наполнитель: неоксидированный наноалюминий (60% по массе). Плотность ρ=1657 кг/м³. Стехиометрический коэффициент L₀=7,5 кг возд./кг гор. Теплота сгорания в расчете на ед. объема H_V=57251 МДж/м³.

Пример 2:

Связующее: аморфный полистирол (48% по массе). Наполнитель: неоксидированный наноалюминий (52% по массе). Плотность ρ=1539 кг/м³. Стехиометрический коэффициент L₀=8,26 кг возд/кг гор. Теплота сгорания в расчете на ед. объема H_V=54226 МДж/м³.

Пример 3:

Связующее: 1,4-цис-полибутадиен (48% по массе). Наполнитель: неоксидированный наноалюминий (52% по массе). Плотность ρ=1372 кг/м³. Стехиометрический коэффициент L₀=8,83 кг возд/кг гор. Теплота сгорания в расчете на ед. объема H_V=50171 МДж/м³.

Пример 4:

Связующее: 1,4-цис-полибутадиен (40% по массе). Наполнитель: неоксидированный наноалюминий (60% по массе). Плотность ρ=1522 кг/м³. Стехиометрический коэффициент L₀=7,8 кг возд./кг гор. Теплота сгорания в расчете на ед. объема H_V=53967 МДж/м³.

Пример 5:

Связующее: полиэтилен (40% по массе). Наполнитель: неоксидированный наноалюминий (60% по массе). Плотность ρ=1524 кг/м³. Стехиометрический коэффициент L₀=8,1 кг возд./кг гор. Теплота сгорания в расчете на ед. объема H_V=54786 МДж/м³.

Пример 6:

Связующее: поли-альфа-метилстирол (40% по массе). Наполнитель: неоксидированный наноалюминий (60% по массе). Плотность ρ=1677 кг/м³. Стехиометрический коэффициент L₀=7,6 кг возд./кг гор. Теплота сгорания в расчете на ед. объема H_V=58400 МДж/м³.

Приведенные выше композиции по своей плотности и объемной теплоте сгорания превосходят известные в качестве твердых горючих ПВРД высокоплотные тяжелые углеводороды, такие как Антрацен (ρ=1250 кг/м³, H_V=49980 МДж/м³), ДАМСТ (ρ=1078 кг/м³, H_V=43328 МДж/м³), Бинор (ρ=1120 кг/м³, H_V=46198 МДж/м³), соответствующие показатели которых известны (см. «Интегральные прямоточные воздушно-реактивные двигатели на твердых топливах» под редакцией Л.С. Яновского, М.:, 2006, стр. 145-154).

Применение композиций твердого нанокомпозитного горючего с неоксидированными наночастицами алюминия позволит существенно повысить скорость и полноту сгорания топлива в дозвуковых и сверхзвуковых воздушных потоках и будет способствовать сокращению длины камеры сгорания ПВРД в 1,5-2 раза в условиях крейсерского полета.

Изобретение относится к созданию нанокомпозитного твердого горючего для прямоточного воздушно-реактивного двигателя, которое может применяться в различных ракетных системах, например, противоракетной, противовоздушной обороны, ракетных систем залпового огня и другого назначения. Твердое горючее содержит полимерную матрицу из полиолефина с включенным в нее нанодисперсным порошком алюминия. В качестве нанодисперсного порошка алюминия используют неоксидированные наночастицы алюминия, размер которых не превышает 20 нм, при соотношении компонентов, мас.%: неоксидированные наночастицы алюминия 5260, полимер матрицы 4048. Технический результат изобретения заключается в увеличении скорости и полноты сгорания твердого горючего. 4 з.п. ф-лы, 6 пр., 1 ил.

1. Твердое горючее для прямоточного воздушно-реактивного двигателя, содержащее полимерную матрицу из полиолефина с включенным в нее нанодисперсным порошком алюминия, отличающееся тем, что в качестве нанодисперсного порошка алюминия используют неоксидированные наночастицы алюминия, размер которых не превышает 20 нм, при соотношении компонентов, мас.%:

неоксидированные наночастицы алюминия 5260 полимер матрицы 4048

2. Твердое горючее по п.1, отличающееся тем, что для полимерной матрицы использован атактический полистирол.

3. Твердое горючее по п.1, отличающееся тем, что для полимерной матрицы использован полиэтилен высокого давления.

4. Твердое горючее по п.1, отличающееся тем, что для полимерной матрицы использован поли-альфа-метилстирол.

5. Твердое горючее по п.1, отличающееся тем, что для полимерной матрицы использован 1,4-цис-полибутадиен.