Топливо на основе нитрата аммония с низкой чувствительностью к удару и экологически чистыми продуктами горения Российский патент 2023 года по МПК C06B25/18 C06B27/00 C06B29/06 C06B31/16 C06B31/28 C06D5/06 

Изобретение относится к области разработки твердых топлив и может быть использовано для различных ракетных двигателей и газогенераторов гражданского применения. Топливо состоит из широкодоступных компонентов, обладает низкой чувствительностью к механическим воздействиям, экологически безопасными продуктами горения, регулируемой скоростью горения и ее зависимостью от давления, высокими физико-механическими характеристиками.

Известен способ получения твердого топлива, (Е Зо Тве, Денисюк А.П., Русин Д.Л. Возможности промышленного изготовления металлизированных аммиачно-селитренных топлив // Химическая промышленность сегодня. 2014. №3. С.47-53) (Прототип), состоящего из низкокалорийного баллиститного топлива, в котором содержится нитрат аммония в количестве 73%. В качестве катализатора используют тройную смесь - карбоната никеля, бихромат калия и сажи, которые в продуктах горения образуют токсичные соединения хрома и никеля. Для повышения энергетики в топливо вводят большое количество алюминия (до 27%), что существенно повышает температуру горения (от 2513 К до 3503 К). Топлива с такой температурой не может использоваться в большинстве газогенераторов. Данные о чувствительности указанного топлива отсутствуют. Эта характеристика является чрезвычайно важной для обеспечения безопасности получения зарядов и их эксплуатации.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка топлива с низкой чувствительностью к механическим воздействиям и с экологическими чистыми продуктами горения, с регулируемой скоростью горения и зависимости ее от давления, с высокими физико-механическими характеристиками, заряды из которого изготавливаются методом проходного прессования.

Поставленная задача решается путем разработки топлива, состоящего из нитрата аммония (НА), нитроцеллюлозы (НЦ) (Коллоксилин «Н»), динитрата диэтилегликоля (ДНДЭГ), динитротолуола (ДНТ), дибутилфталата (ДБФ), фторопласта (Ф-4), индустриального масла (ИМ), салицилата железа (СЖ) в индивидуальном виде или в сочетании с углеродными нанотрубками (УНТ), алюминия, при следующем содержании компонентов: 60,2-63% нитрат аммония, 10,5% нитроцеллюлоза, 12,3% динитрата диэтиленгликоля, 4,4%динитротолуола, 2% дибутилфталата, 0,5% централита№2, 0,3%индустриального масла, 2-2,8% фторопласта-4, 2-5% салицилата железа, 2-3% углеродных нанотрубок и 2-3% алюминия.

Для снижения чувствительности к удару, а также для повышения технологических, реологических и физико-механических характеристик в топливо вводится фторопласт-4 в количестве 2-2,8%.

Для исключения в составе продуктов горения токсичных веществ в качестве катализатора горения используется салицилат железа, который в топливах не использовался (применяются только салицилаты никеля, меди и свинца). Предлагаемый катализатор горения в индивидуальном виде и особенно совместно с углеродными нанотрубками «Таунит М» позволяет регулировать скорость горения и снижать зависимость ее от давления, (т.е. уменьшать показатель ν в законе скорости горения U=BP^ν) до значения <0,5 в широком диапазоне (от 3 МПа до 16 МПа). Это позволяет использовать топливо в различных ракетных системах и газогенераторах.

Для нейтрализации HF в продуктах горения в топливо вводится алюминий, который взаимодействует с HF с образованием AlF₃ (3HF+Al→AlF₃+1,5H₂).

От прототипа предлагаемое топливо отличается следующими характеристиками:

Для снижения чувствительности к механическим воздействиям и улучшения комплекса физико-механических, реологических и технологических характеристик топливо содержит повышенное количество от 2 до 2,8% фторопласта-4 (в прототипе - 1,5%, которые не приводят к снижению чувствительности к удару (табл.4)).

В составе топлива вместо комбинированного катализатора, состоящего из никеля и хрома, используется экологически безопасный салицилат железа, а вместо сажи - углеродные нанотрубки, которые оказывают большее влияние на эффективность действия катализатора. Это расширяет возможность регулирования скорости горения и уменьшения ее зависимости от давления.

Для нейтрализации HF в составе продуктов горения в топливо вводятся 2-3% алюминия.

Достижение заявляемого результата подтверждается примерами.

Заряды топлива для проведения исследований изготавливаются следующим образом:

Получение полимерной основы, т.е. смешение в заданных количествах нитроцеллюлозы, динитрата диэтиленгликоля, дибутилфталата, динитротолуола, центролита №2, индустриального масла проводится в водной среде при модуле 1:6-1:10, сначала при температуре 20°С, а затем при 50°С с последующим отжимом массы до влажности 15-25 мас. %.

Порошкообразные компоненты (нитрат аммония, фторопласт, алюминий, салицилат железа и УНТ) вводили в необходимом количестве на вальцах при температуре 80-90°С, сушкой полуфабриката до влажности 0,5-1,0 мас. %, и прессованием изделий (зарядов) на гидравлическом прессе при температуре 90°С и давлении до 30 МПа. После рассчитывали состав топлива.

Термодинамические параметры и состав продуктов горения рассчитывают в программе REAL. Скорость горения определяют в приборе постоянного давления в атмосфере азота. Эффективность действия катализатора оценивается влиянием на скорость горения и на параметр ν в законе горения U=BP^ν. Определение чувствительности к механическим воздействиям проводят в соответствии с ГОСТ 4545-88. Реологические и технологические характеристики, в частности зависимость внешнего трения от температуры определяют на трибометре ТР-6М, прочность на срез на срезающем устройстве ИУСД. Коэффициент технологичности К_т = σ_ср/τ_μ, где σ_ср - прочность на срез, τ_μ значение внешнего трения.

В таблице 1 представлены составы предлагаемых топлив и их термодинамические параметры. Видно, что топливо состоит из полимерной основы, у которой соотношение ее компонентов остается постоянным (ее количество 30%). Введение порошкообразных добавок в заданных количествах позволяет существенно изменять удельный импульс топлива от 212 до 219 с и температуру горения от 2264 до 2446 К.

В таблице 2 представлен состав продуктов горения топлив №1, содержащих алюминий и без него. Видно, что для топлив, содержащих и 2%, и 5% Al, количество HF в продуктах горения в 23 раз меньше, чем в топливе без алюминия. В связи с этим, оптимальным количеством металла в составе является 2%, так как такое количество незначительно повышает температуру горения.

В таблице 3 приведены параметры горения предлагаемых топлив. Видно, что введение 3% и 5% салицилата железа позволяет в широком интервале (4-15 МПа; 2,5-15 МПа) давления существенно снижать параметр ν от 0,9 до 0,4. При таком значении ν рабочее давление в двигателе ракеты или газогенератора изменится относительно слабо при их работе в различных климатических условиях. Например, если при увеличении начальной температуры от -50°С до +50°С заряда скорость горения изменится в 1,45 раза, то при ν=0,9 давление увеличится в 9,3 раза, т.е. в ~6.4 раза больше. Так, если давление в указанных системах при -50°С должно быть 5МПа, то при ν=0,4 давление при +50°С будет (1,45*5) 7,25 МПа, а при ν=0,9 давление равно 32 МПа. Это приведет к необходимости значительно увеличить толщину стенок двигателя, чтобы не произошло разрушение двигателя. Это увеличит пассивную массу двигателя и, соответственно, дальность полета ракеты.

Добавлением к СЖ углеродных нанотрубок обеспечивается более высокая скорость горения в области повышенного давления (до 13,6 мм/с при 15 МПа), в котором ν=0,4.

В таблице 4 показана чувствительность прилагаемых топлив к удару (частость взрывов). Видно, что чувствительность топлива с 1,5% фторопласта равна 32%, но при этом на поверхности только возникают зародыши отдельных очагов, в которых возникает воспламенение (которое не распространяется на всей поверхности). Это происходит из-за недостаточного количества фторопласта для образования трехмерной упорядоченной структуры, нити которой препятствуют распространению процесса от возникших очагов. Отметим, что во всех случаях для образцов с 2-2,8% Ф-4 частость равна 0. Поэтому для обеспечения отсутствия взрывного превращения образцов при механическом воздействии отличающихся по составу наполнителей, при одинаковом их количестве (70%), в топливо предлагается вводить 2-2,8% Ф-4.

В таблице 5 представлены технологические характеристики предлагаемых топлив. Видно, что топлива, содержащие 2,8% Ф-4, обладают высокими технологическими характеристиками. Для таких высоконаполненных топлив значение К_т ≥1,5 позволяет перерабатывать их методом проходного прессования (Русин Д.Л., Фиошина М.А. Основы химии и технологии порохов и твердых ракетных топлив: учебное пособие. М.: РХТУ. Издат. центр, 2001. - 316 с.).

Таблица 1. Состав топлив и термодинамические параметры Компонент, % Полимерная основа Нитроцеллюлоза
(Коллоксилин «Н», содержание азота 11,8-12,2%) 10,5 Динитрат диэтиленгликоля 12,3 Динитротолуол 4,4 Дибутилфталат 2,0 Централит №2 0,5 Индустриальное масло 0,3 Номер топлива Компонент, % 1 2 3 4 5 Фторопласт-4 2 2 2,8 2,8 2,8 Салицилат железа 3 2 3 2 5 Углеродные нанотрубки 0 2 2 3 0 Алюминий 2 3 2 2 2 Нитрат аммония 63 61 60,2 60,2 60,2 Термодинамические параметры Удельный импульс, с 219 218 213 212 212 Температура горения, К 2446 2385 2303 2263 2264

Таблица 2. Состав продуктов горения при охлаждении от температуры горения 2404 К до 600 К и 0,1 МПа. Состав продуктов, мас. % Без Al 2% Al 5% Al CO 0,04 0,05 0,05 CO₂ 33,4 36,9 34,2 СН₄ 1,4 4,2 4,7 H₂ 0,2 0,2 0,2 H₂O 35,7 27,9 25,8 N₂ 27,7 26,0 25,3 HF 1,6 0,07 0,07 Al₂O₃ (c) - 2,6 7,6 AlF₃ - 1,4 1,4 Fe₃O₄ - 0,5 0,5

Таблица 3. Влияние различного соотношения СЖ и Т-М на скорость горения Добавка ν ΔP, МПа ΔU, мм/с Без добавок 0,9 1-15 0,8-9,2 3%СЖ+2%Al 0,55 4-15 4,9-10,2 2%СЖ+
2%T-M+3%Al 0,4 8-15 8,2-9,5 3%СЖ+2%Т-М+2%Al 0,46 10-15 8,9-10,8 2%СЖ+3%Т-М+2%Al 0,4 7-15 10,0-13,6 5%СЖ+2%Al 0,4 2,5-15 4,2-8,6

Таблица 4. Влияние содержания Ф-4 на чувствительность топлива к удару Состав ν (ΔР МПа) Частость, % 1,5%Ф-4+2%СЖ+2%T-M 0,42(8-15) 32 2,8%Ф-4+2%СЖ+3%T-M+2%Al 0,4(7-16) 0 2%Ф-4+2%СЖ+2%T-M+3%Al 0,4(8-15) 0

Таблица 5 - Технологические параметры топлив с различными добавками Добавка σ_ср, МПа τ_μ, МПа K_т 40 60 80 40 60 80 40 60 80 2,8%Ф-4+2%СЖ+3%T-M+2%Al 1,9 1,8 1,4 0,9 0,8 0,7 2,1 2,3 2,0 2%Ф-4+2%СЖ+2%Т-М+3%Al 2,0 1,9 1,6 1,0 0,9 0,8 2,0 2,1 2,0

Изобретение относится к твердому топливу для ракетных систем и газогенераторов, предназначенных для гражданских применений, содержащему нитрат аммония, нитроцеллюлозу, динитрат диэтиленгликоля, динитротолуол, дибутилфталат, централит №2, индустриальное масло, фторопласт – 4 для снижения чувствительности к удару, а также для повышения технологических, реологических и физико-механических характеристик, катализатор горения салицилат железа, не образующий при разложении токсичных продуктов, углеродные нанотрубки для повышения эффективности его действия в широком диапазоне давления (3-16 МПа) и алюминий для нейтрализации HF в продуктах горения, при следующем содержании компонентов, мас.%: нитроцеллюлоза (коллоксилин «Н», содержание азота 12,2%) 10,5; динитрат диэтиленгликоля 12,3; динитротолуол 4,4; дибутилфталат 2,0; централит №2 0,5; индустриальное масло 0,3; фторопласт-4 2-2,8; Al 2; салицилат железа 2-3; углеродные нанотрубки 2; нитрат аммония 60,2-62. Изобретение обеспечивает разработку топлива с низкой чувствительностью к механическим воздействиям и с экологическими чистыми продуктами горения, с регулируемой скоростью горения и зависимости ее от давления, с высокими физико-механическими характеристиками, заряды из которого изготавливаются методом проходного прессования. 5 табл.

Твердое топливо для ракетных систем и газогенераторов, предназначенных для гражданских применений, содержащее нитрат аммония, нитроцеллюлозу, динитрат диэтиленгликоля, динитротолуол, дибутилфталат, централит №2, индустриальное масло, фторопласт – 4 для снижения чувствительности к удару, а также для повышения технологических, реологических и физико-механических характеристик, катализатор горения салицилат железа, не образующий при разложении токсичных продуктов, углеродные нанотрубки для повышения эффективности его действия в широком диапазоне давления (3-16 МПа) и алюминий для нейтрализации HF в продуктах горения, при следующем содержании компонентов, мас.%:

Нитроцеллюлоза (Коллоксилин «Н», содержание азота 12,2%) 10,5 Динитрат диэтиленгликоля 12,3 Динитротолуол 4,4 Дибутилфталат 2,0 Централит №2 0,5 Индустриальное масло 0,3 Фторопласт-4 2-2,8 Al 2 Салицилат железа 2-3 Углеродные нанотрубки 2 Нитрат аммония 60,2-62