Топливная ячейка из твердотопливных гранул Российский патент 2023 года по МПК F02K9/10 

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к конструкциям сгорающих зарядов твердого топлива и топливным ячейкам, которые могут быть использованы в двигателях глубокого регулирования тяги на твердом топливе, а также изобретение может быть использовано в авиационной технике и ракетостроении, например, в беспилотных летательных аппаратах, для газогенераторов на твердом топливе.

Известен заряд твердого ракетного топлива (патент RU 2213719, МПК C06B21/00, F02K9/10, опубл. 10.10.2003), который выполнен в виде шашки и содержит армирующий элемент, представляющий собой ячеистую несущую конструкцию в виде пересекающихся связующих элементов. Армирующий элемент выполнен из ячеистого пористого материала (ЯПМ) объемной структуры по форме заряда, с размером ячеек 1-10 мм армирующего материала при толщине перемычек 0,2-2 мм, пористости ячеистого материала 60-98%, заполненного топливом. В армирующем материале в направлении движения топливной массы при заполнении выполнены в шахматном порядке глухие каналы диаметром в 5-10 раз больше размера ячеек несущей конструкции ЯПМ. Недостатком данного изобретения является наличие возможности газопроницаемости только по армирующим элементам и глухим каналам, что не даст оптимального перемешивания газа и топлива. Наличие армирующих элементов может создать засоренность и проблему работы дозатора двигателя.

Известен быстросгорающий заряд твердого топлива (патент RU 2130125, МПК F02K9/10, опубл. 10.05.1999), содержащий ячеистую несущую конструкцию в виде пересекающихся связующих элементов и покрытие из твердого топлива, отличающийся тем, что связующие элементы выполнены пустотелыми с газопроницаемыми стенками. Недостатком данного изобретения является развитая контактная поверхность для большой площади поверхностного горения, из-за чего заряд имеет малую массу топлива по отношению к объему. Реализация данного изобретения сложна при производстве. Опорная конструкция изготавливается методом порошковой металлургии осаждением металла (керамики) на формооснову из пенополиуретанов с последующим его спеканием и параллельным выжиганием пенополиуретана. Наличие опорной конструкции является недостатком, так как исключает возможность сжигания всего заряда без остатка и может создать засоренность при разрушении для топливного дозатора.

За прототип выбрано изобретение «Твердотопливный заряд газогенератора» (патент RU 2213245, МПК F02K9/95, опубл. 27.09.2003). Твердотопливный заряд газогенератора ракетного двигателя твердого топлива состоит из навески воспламенительного состава, заключенного в оболочку из полиэтилентерефталатной пленки, ламинированной полиэтиленом, выполнен в виде патронташа, свернутого в цилиндр с центральным каналом. Каждый карман патронташа заполнен элементом порохового состава плотной упаковки в загерметизированном виде. Патронташ своим наружным диаметром прилегает к внутренней поверхности камеры сгорания без зазора. Изобретение позволяет создавать конструкцию твердотопливного заряда применительно к цилиндрическим камерам сгорания с отношением длины к диаметру, близким или большим единицы. Недостатком данного изобретения является сложность упаковки патронташа с использованием термосварки и сложности замены на новый в полевых условиях. Также к недостаткам можно отнести наличие только центрального канала, не обеспечивающего образование оптимальной топливно-воздушной смеси.

Для обеспечения работы двигателя на твердом топливе с возможностью глубокого регулирования тяги необходимо решить задачу регулируемой подачи твердого топлива в камеру сгорания. Решением данной задачи является топливная ячейка состоящую из гранул твердого топлива.

Техническим результатом заявленного изобретения является твердотопливная ячейка с высоким удельным содержанием твердого топлива, с разветвленной сетью пор для газопроницаемости, без несгораемых армирующих элементов и опорных конструкций, при этом ячейка защищена от воздействия окружающей среды при хранении и проста в изготовлении.

Технический результат достигается за счет того, что топливная ячейка из твердотопливных гранул, состоящая из гранул твердого топлива, заключенных в полимерную оболочку, согласно изобретению, полимерную оболочку имеет каждая гранула, форма гранул сферическая или овально-сферическая и в одной топливной ячейке находятся гранулы разного размера, образуя равномерно хаотично расположенные межгранулярные полости.

Настоящее изобретение иллюстрируется схемами на фиг. 1 (поперечный разрез) и фиг. 2 (продольный разрез).

Предлагаемая топливная ячейка имеет цилиндрический корпус 1 и состоит из гранул твердого топлива 2. Топливные гранулы 2 покрыты полимерной оболочкой 3, предотвращающей их гигроскопичность. Гранулы 2 относительно плотно прижаты друг к другу, но при этом между ними сохраняются полости 4, обеспечивающие газопроницаемость топливной ячейки.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Топливные гранулы 2 получают методом грануляции (или другим известным технологическим способом), посредством формования гранул из порошкообразного (или твердого) вещества топливной смеси. Твердотопливная смесь может иметь различный состав в зависимости от сферы применения, например, в состав твердотопливных гранул могут входить углерод, водород, кислород, а также алюминий, магний, натрий и другие металлы для усиления горения топливной смеси. При грануляции получают топливные гранулы разного размера, от 5 до 500 мкм, при этом форма гранул – сферическая или овально-сферическая. Далее каждую топливную гранулу 2 заключают в полимерную оболочку 3, например, полиэтиленовую, известными технологическими способами, например, в грануляционных котлах, установках центробежного действия и в псевдоожиженном слое. Покрытые полимером гранулы 2 засыпают в цилиндрический корпус 1, выполненный из полиэтилена низкого давления, АБС пластика, легких композиционных материалов, полиметилметакрилата или схожего по характеристикам материала, и трамбуют для достижения необходимой плотности. После полимеризации топливная ячейка готова к применению.

Из-за сферической формы гранул, между ними в топливной ячейке самопроизвольно образуются хаотично равномерно расположенные полости. Гранулы разного размера используют для повышения плотности топливной ячейки. Объем межгранулярных полостей составляет от 10 до 20% общего объема топливной ячейки. Высокая плотность упаковки гранул в топливной ячейке и малый объем межгранулярных полостей обеспечивает высокие энергетические характеристики, при сравнении на единицу массы, с жидкими топливами. Полости, расположенные в равномерно хаотичном порядке, обеспечивают равномерное прохождение через топливную ячейку отработанных газов от газогенератора и равномерный унос топливных частиц в камеру сгорания.

Топливная ячейка из твердотопливных гранул является расходным материалом для реактивного двигателя. После использования топливная ячейка подлежит замене на новую. Топливная ячейка может быть устроена непосредственно в топливный бак реактивного аппарата при одноразовом использовании изделия. Для этого топливные гранулы 2, покрытые полимерной оболочкой 3, перемешивают с клеевой основой. При начале полимеризации клеевой основы на гранулах, перемещают смесь непосредственно в топливную емкость до нужного уровня. Для достижения высокой плотности гранулы трамбуют. После полимеризации топливная ячейка готова к применению.

Плотная упаковка топливных гранул увеличивает удельную массу топлива на единицу объема. С учетом межгранулярных полостей, по энергетическому потенциалу предлагаемые топливные ячейки могут конкурировать с жидким топливом, для которого уже реализована система глубокого регулирования тяги, но не решена проблема дорогостоящего хранения. Топливная ячейка на гранулированном твердом топливе может храниться годами, не требуя специального обслуживания и условий содержания. Энергетический потенциал твердотопливных гранул и самой топливной ячейки при хранении не изменяется.

Предлагаемая топливная ячейка из твердотопливных гранул может быть использована как в одноразовых изделиях, так и в многоразовых двигателях, при этом замена топливной ячейки в двигателе возможна в полевых условиях без применения специального оборудования.

Изобретение относится к области ракетной техники, а именно к конструкциям сгорающих зарядов твердого топлива и топливным ячейкам. Топливная ячейка из твердотопливных гранул состоит из гранул твердого топлива, заключенных в полимерную оболочку, согласно изобретению каждая гранула имеет полимерную оболочку, форма гранул сферическая или овально-сферическая, и в одной топливной ячейке находятся гранулы разного размера, образуя равномерно хаотично расположенные межгранулярные полости. Объем межгранулярных полостей составляет от 10 до 20% от объема топливной ячейки. Изобретение обеспечивает повышение удельного содержания твердого топлива с разветвленной сетью пор для газопроницаемости. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Топливная ячейка из твердотопливных гранул, состоящая из гранул твердого топлива, заключенных в полимерную оболочку, отличающаяся тем, что полимерную оболочку имеет каждая гранула, форма гранул сферическая или овально-сферическая, и в одной топливной ячейке находятся гранулы разного размера, образуя равномерно хаотично расположенные межгранулярные полости.

2. Топливная ячейка по п. 1, отличающаяся тем, что объем межгранулярных полостей составляет от 10 до 20% от объема топливной ячейки.