Пластификаторы для ракетных топлив на основе сорбитола и перхлората калия Российский патент 2019 года по МПК C06D5/06 C06B29/08 C07C39/10 

Изобретение относится к области разработки экологически безопасного смесевого твердого ракетного топлива, которое может быть использовано в ракетных двигателях на твердом топливе (РДТТ) для противоградовых и высотных научно-исследовательских ракет, в любительском и экспериментальном ракетостроении, для моделей ракет, предназначенных для ракетно-космического моделирования в сфере технических видов творчества молодежи и детских развивающих игр.

Литьевые топлива на основе перхлората калия (ПХК) давно известны. В 1943-45 годах начали разрабатываться литьевые энергонасыщенные топлива на основе перхлоратов, где в качестве горючего используются смолы и полимеры. Это топлива GALCIT, которые содержат перхлорат калия (70-80%) и битум (20-30%), и Aeroflex которые содержат перхлорат калия (70-80%) и полиметилметакрилат (20-30%) (Roger D. Launius. То Reach the High Frontier: A History of U.S. Launch Vehicles. University Press of Kentucky. 2003, P. 233). Для них Jmax=180-190 с.

Однако, у топлив на основе перхлоратов металлов - высокий показатель степени N в законе горения в широком диапазоне давлений, более 0,6:

V=Vo*P^N

где V это скорость горения топлива, Vo скорость горения топлива при давлении 1 атм.,

Р - давление, при котором горит топливо, N - показатель степени (барический коэффициент).

При этом горение данных топлив характеризуется пульсациями, а стабилизация горения наступает при давлениях выше 70 атм, что затрудняет конструирование ракетных двигателей (Пономаренко В.К. Ракетные топлива. ВИККА им. А.Ф. Можайского, СП-б.:1995, с. 372).

Прямым прототипом предлагаемым топливам являются топлива на основе перхлората калия и сорбитола, где применение «нитрилсодержащих» добавок (преимущественно простых и комплексных цианидов, обычно желтой кровяной соли - ЖКС) делает возможным нормальное стабильное горение от 1 до 40 атм. (Ребеко А.Г. RU 2594218 // Новые ракетные топлива на основе перхлоратов металлов).

Такое топливо изготавливается обычно методом сплавления исходных компонентов при температуре 140°C.

Сам сорбит в момент охлаждения до комнатной температуры представляет собой по консистенции вязкую смолообразную массу, которая постепенно кристаллизуется. Недостаток таких топлив заключается в том, что они достаточно быстро затвердевают после остывания исходного расплава через 1-2 недели, что плохо для конструирования двигателей с высоким давлением в камере сгорания. В камере сгорания двигателя большого диаметра (более 40 мм) топливные заряды из такого топлива под действием давления газа трескаются, что приводит к лавинообразному повышения площади горения и взрыву. Попытки получить пластичное топливо, где сорбитол частично замещен на углеводы (в частности фруктоза и глюкоза) приводят к тому, что в результате реакции карамелизации при плавлении топлива добавки выделяют углекислый газ, который придает нежелательную пористость топливу, и вещества (продукты реакции), которые уменьшают скорость горения. Добавки полиспиртов разной природы (ксилит, инозит, пентаэритрит, глицерин, этиленгликоль, 1,3-дигидроксиацетон), к сожалению, не предотвращают нежелательную кристаллизацию сорбитола.

В настоящем изобретении проблема пластичности топлива решается тем, что сорбитол частично заменяют (в количестве 25-33%) на оксибензонол, содержащий две и более гидроксильные группы в своей структуре: резорцин, пирогаллол, флороглюцин, оксигидрохинон (1,2,4-тригидроксибензол), а также гексаоксибензол. Исключением являются гидрохинон и пирокатехин - они, как и фенол не предотвращают кристаллизацию.

Оказалось, также, что пирогаллол, флороглюцин и гексаоксибензол повышают скорость горения топлива при нормальных условиях wo (табл. 1). Образцы приготавливались методом сплавления при перемешивании исходных компонентов при температуре 140°C.

Состав испытуемых топлив был следующим: ПХК - 2,5 гр, сорбитол - 1.125 гр, ЖКС - 0,3 гр, добавка оксибензонола - 0,25 гр.

Но, повышение скорости горения связано с одновременным снижением барического коэффициент N с 0,35 до 0,12, и поэтому скорость горения в двигателях не превышает 20 мм/с, а развиваемое давление остается не более 20 атм. в сравнении с составом без добавок.

Составы с добавками остаются всегда пластичными при температуре выше 25°C, но затвердевают в течение 6-8 месяцев при температуре 10-15°C. Для надежного сохранения пластичности в состав приходится добавлять сверх стехиометрии 0,5-1 мас.% этиленкарбоната или пропиленкарбоната. Добавки этих веществ в топливную массу без указанных выше полифенолов не предотвращают кристаллизацию сорбита пластичного заряда.

Таким образом, замещение сорбитола добавкой в количестве 25-33 мас.% оксибензонола (резорцин, пирогаллол, флороглюцин, оксигидрохинон (1,2,4-тригидроксибензол), а также гексаоксибензол) вместе с добавкой этиленкарбоната или пропиленкарбоната в количестве 0,5-1 мас.% сверх стехиометрии позволяют получить пластичное топливо на основе ПХК и сорбита с неограниченным временем хранения при температуре не ниже 10°C.

Изобретение относится к пластификатору для смесевого ракетного топлива на основе перхлората калия, которое может быть использовано в реактивных двигателях противоградовых и высотных научно-исследовательских ракет, в любительском и экспериментальном ракетостроении. Пластификатор состоит из сорбитола с добавкой 25-33 мас.% оксибензола, содержащего две и более гидроксильные группы в своей структуре, выбранного из группы, включающей резорцин, пирогаллол, флороглюцин, оксигидрохинон и гексаоксибензол. Для надежного закрепления достигнутой пластичности в состав добавляется сверх стехиометрии этиленкарбонат или пропиленкарбонат в количестве 0,5-1 мас.%. Использование пластификатора с добавкой оксибензола решает проблему нежелательной кристаллизации сорбитола. Составы остаются пластичными при 25°С и затвердевают в течение 6-8 месяцев при 10-15°С. Дополнительное введение этиленкарбоната или пропиленкарбоната в топливо позволяет получить пластичное топливо на основе перхлората калия и сорбитола с неограниченным временем хранения при температуре ниже 10°C. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Пластификатор для ракетных топлив на основе перхлората калия, состоящий из сорбитола с добавкой 25-33 мас.% оксибензола, содержащего две и более гидроксильные группы в своей структуре, выбранного из группы, включающей резорцин, пирогаллол, флороглюцин, оксигидрохинон и гексаоксибензол.

2. Пластификатор по п. 1, отличающийся тем, что топливо содержит добавку этиленкарбоната или пропиленкарбоната в количестве 0,5-1 мас.% сверх стехиометрии.