Композиция пастообразного топлива для прямоточного воздушно-реактивного двигателя Российский патент 2020 года по МПК C06D5/06 C06B33/00 C06B47/00 

Изобретение относится к пастообразным топливам для прямоточного воздушно-реактивного двигателя (далее ПВРД) и может быть использовано в ракетной технике.

Известен ряд патентов: [1], [2], в которых предлагаются композиции топлива, в состав которых входит органическое горючеесвязующее и ультрадисперсный порошок высокоэнергетического металла. Общим недостатком указанных аналогов является относительно низкий уровень их энергомассовых характеристик, которые определяют баллистическую эффективность пастообразных топлив применительно к ПВРД.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является композиция топлива [3], содержащая нанодисперсные порошки металлов, где в качестве нанодисперсных компонентов применяют порошки алюминия, бора или боридов алюминия с содержанием 34-62%, при этом средний размер частиц порошков составляет 60-350 нм, полученные методом переконденсации в плазменном электродуговом реакторе, причем в качестве дисперсионной среды используют растворитель децилин, загущенный полиэтиленом в количестве 2-10%, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Децилин 30-40

Полиэтилен 2,5-10

Нанодисперсный порошок

Бора или смесь боридов

алюминия, содержащая

34-62% Al

Перхлорат аммония 15-35.

К недостаткам данного патента можно отнести тот факт, что в нем описан состав топлива, который содержит окислитель, которого, учитывая особенности ПВРД, в составе топлива быть не должно или его содержание должно быть минимальным, поскольку это существенно снижает энергетические характеристики пастообразной композиции. Не указаны технологические режимы изготовления предлагаемого топлива. Используемый компонент децилин обладает повышенной летучестью, что исключает возможность длительного хранения композиции в негерметичных условиях. Децилин относится к относительно дорогостоящим компонентам и не имеет широкой производственной базы. Полиэтилен очень сложно растворяется в децилине. Предлагаемые в прототипе композиции отличаются относительно низкой плотностью (1,28-1,32 г/см³).

Задачей данного изобретения является получение композиции пастообразного топлива на отечественной сырьевой базе, применяющейся в прямоточных воздушно-реактивных двигателях с камерой дожигания, обладающей седиментационной устойчивостью и тиксотропностью, высокой объемной теплотой сгорания и повышенной плотностью, минимальным убыл ем массы композиции при хранении на воздухе.

Для решения данной задачи предложен принципиальный состав композиции пастообразного горючего, которая содержит ультра- и нанодисперсные горючие (УНДГ), в качестве которых применяют порошки бора, смесь порошков боридов алюминия (средний размер частиц порошков составляет 60-350 нм), полученные методом переконденсации в плазменном электродуговом реакторе, и сажи (средний размер частиц 3-5 нм), полученные методом пиролиза углеводородов. В качестве основы жидковязкого связующего (ЖВС) используют полиальфаолефин в количестве 80-90%, загущенный полиизобутиленом в количестве 10-20%, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Пастообразные горючие на основе предложенных компонентов обладают более высокой (на 26-56%) объемной теплотой сгорания и близкой по значению плотностью по сравнению с прототипами (таблица 1).

Повышение объемной теплоты сгорания и плотности пастообразных горючих достигается путем исключения в их составе окислителя перхлората аммония на энергоемкие горючие с повышенной плотностью, как жидкофазные (полиальфаолефин, полиизобутилен), так и порошкообразные бор или смесь боридов алюминия.

Седиментационная устойчивость и тиксотропность пастообразных горючих обеспечивается при определенном соотношении компонентов жидковязкого связующего (полиальфаолефина и загустителя полиизобутилена) и дисперсной фазы (ультра- и нанодисперсных порошков бора или смеси боридов алюминия, а также ненодисперсной сажи в качестве загустителя), что подтверждается данными, представленными в таблице 2.

Предлагаемая нами композиция пастообразного топлива не имеет окислителя, компоненты ее нелетучи и не имеют двойных и тройных связей, что исключает полимеризацию углеводородов при длительном хранении. Все это увеличивает сроки хранения топлива и улучшает эксплуатационные характеристики по сравнению с прототипом.

Загуститель при нормальных условиях может растворяться до определенных пределов. При формировании жидковязкого связующего соотношение между загустителем и жидкой составляющей полимеров обеспечиваются вязкостные свойства, удовлетворяющие требованиям по формированию пасты.

При горении за счет взаимодействия компонентов пастообразного топлива с кислородом воздуха, нагретого до высоких температур, происходит частичное окисление нанодисперсного горючего, газификация и пиролиз углеводородной части, и продукты превращения, обогащенные горючим, из первичной камеры поступают во вторичную камеру дожигания, где происходит их полное сгорание при окислении атмосферным кислородом.

Изготовление пастообразного топлива проводится путем смешения ультра- и нанодисперсных, в том числе пирофорных порошков горючих в жидковязком связующем в инертной газовой среде при дозированной подаче порошкообразных компонентов порциями в непрерывно перемешиваемую смесь, содержащую расчетное относительно порошка количество дисперсионной среды, до образования седиментационноустойчивой непирофорной пасты с равномерно распределенными в ней частицами дисперсной фазы. Смешение исходных компонентов проводится в двухвальных лопастных смесителях типа Беккена.

Максимально возможное количество вводимой дисперсной фазы рассчитывать с учетом гравиметрической плотности, среднемассового размера и удельной поверхности частиц металлического порошка, плотности дисперсионной среды.

Разработанный способ изготовления пастообразного топлива [4] обеспечивает сохранение качества пирофорных металлических порошков с размером частиц менее 1 микрона и разрушение агломератов в исходном порошке применением в качестве дисперсионных сред компонентов связующих, входящих в состав ЖВС, и достижение максимальной степени наполнения коллоидных паст дисперсной фазой.

Литература

1. US №6736912, 2004 г.

2. RU №2288207, 2005 г.

3. RU №2485081, 2012 г.

4. RU №2637330, 2016 г.

Изобретение относится к пастообразному топливу для прямоточного воздушно-реактивного двигателя (ПВРД) с камерой дожигания. Композиция пастообразного горючего содержит полиальфаолефин в количестве 80-90%, загущенный полиизобутиленом в количестве 10-20%, в качестве жидковязкого связующего (ЖВС) и в качестве ультра- и нанодисперсного горючего (УНДГ) порошок бора или смесь порошков боридов алюминия и сажу. Композиция пастообразного горючего обладает седиментационной устойчивостью и тиксотропностью, высокой объемной теплотой сгорания, повышенной плотностью и минимальным изменением массы композиции при хранении на воздухе. 2 табл.

Композиция пастообразного топлива для прямоточного воздушно-реактивного двигателя, содержащая твердофазные горючие и жидко-вязкое связующие, взятые в соотношениях, близких к стехиометрическому, отличающаяся тем, что в качестве жидко-вязкого связующего используется полиальфаолефин в количестве 80-90%, загущенный полиизобутиленом в количестве 10-20%, а в качестве ультра- и нанодисперсного горючего применяют порошок бора или смесь порошков боридов алюминия, а также сажу, при следующем соотношении компонентов в мас.%:

Полиальфаолефин 30-40 Полиизобутилен 3-5 Смесь порошков боридов алюминия или порошок бора 50-65 Сажа 1-10