ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ ВОСПЛАМЕНИТЕЛЬНЫЙ СОСТАВ Российский патент 2024 года по МПК C06B33/04 

Изобретение относится к пиротехническим воспламенительным составам для различных средств воспламенения, в том числе средств запуска энергетических установок с использованием жидких углеводородных топлив.

Процесс зажигания жидкого углеводородного топлива является важной составляющей запуска энергетической установки, в котором химическое взаимодействие компонентов топлива начинается с инициирования воспламенения и завершается установлением самоподдерживающегося горения во всем рабочем объеме камеры. В зависимости от объекта применения, условия протекания данного процесса могут сильно отличаться. Например, воспламенение на больших высотах осложняется тем обстоятельством, что с понижением давления и температуры внешней среды у большинства жидких топлив ухудшаются характеристики горения: период индукции, скорость и полнота сгорания. В этом случае для обеспечения надежного воспламенения топливных компонентов в камере устанавливают специальные пусковые средства и системы.

Средства воспламенения пиротехнического типа по сравнению с другими пусковыми устройствами (электроискровые, каталитические и т.п.) наиболее полно удовлетворяют современным предъявляемым требованиям к: пожаро- и взрывобезопасности, стойкости к воздействию повышенных и пониженных температур и давлению среды, прочности к воздействию механических нагрузок и др. Кроме того, такие средства обладают высокой надежностью и эффективностью в работе, имеют стабильные выходные характеристики в течение длительного срока хранения и эксплуатации. Одновременно с этим для пиротехнических средств воспламенения характерны небольшие значения массогабаритных характеристик, что оказывает влияние на легкость конструкции и компактность энергетической установки в целом.

Пиротехнический способ воспламенения жидкого углеводородного топлива осуществляется за счет подвода тепловой энергии факелом продуктов сгорания пиротехнического воспламенительного состава. При этом практический опыт в создании и изготовлении высокоэффективных пиротехнических воспламенительных составов для обеспечения надежного розжига топливной смеси в камере энергетической установки показывает, что составы должны удовлетворять ряду следующих технических требований: высокая теплота сгорания (Q_cг>7600,0 кДж/кг), высокая температура горения (Т_г=2000,0÷2400,0 К), низкая энергия воспламенения (Q_в<15,0 Дж) и высокую температуру вспышки (Т_всп=700÷900 К).

Вместе с тем, пиротехнические воспламенительные составы должны содержать в качестве горючих элементов металлы, способствующие выделению большого количества тепла при их окислении (Al, Mg, Ti, Li, Be и др.), а в качестве окислителей кислород (О₂), фтор (F₂) или вещества, содержащие эти элементы. Такие составы при горении образуют конденсированные целевые продукты, заключающие в себе большое количество тепла, и соединения, являющиеся катализаторами горения жидких углеводородных топлив, что обеспечивает быстрый и эффективный запуск энергетических установок.

Известен пиротехнический воспламенительный состав для зажигания основных пиротехнических составов по патенту на изобретение RU №2541083, приоритет от 01.10.2013, С06В 33/02, С06В 27/00, включающий политетрафторэтилен и порошок алюминиево-магниевого сплава с содержанием алюминия 48 мас. % и магния 52 мас. % при следующем соотношении компонентов, мас. %:

политетрафторэтилен 15,1-30,2 порошок алюминиево-магниевого сплава 84,9-69,8

Известный пиротехнический воспламенительный состав позволяет получить высокую температуру горения, но имеет низкую теплоту сгорания и не обеспечивает требуемого состава продуктов сгорания. Также пиротехнические элементы, изготовленные из указанного состава, имеют низкую скорость горения при атмосферных условиях и малую механическую прочность.

Также известен воспламенительный состав для электровоспламенителей по патенту на изобретение RU №2542312, приоритет от 01.10.2013, С06В 33/02, С06В 27/00, содержащий окислитель, горючее, связующее и дополнительный окислитель, который в качестве окислителя содержит политетрафторэтилен, в качестве горючего - алюминиево-магниевый сплав с содержанием алюминия 48 мас. % и магния 52 мас. %, в качестве связующего содержит органическое высокомолекулярное соединение из ряда: сополимер трифторхлорэтилена и винилиденфторида или сополимер тетрафторэтилена и винилиденфторида, или сополимер винилиденфторида и гексафторпропилена, или сополимер винилиденфторида и хлортрифторэтилена, в качестве дополнительного окислителя - диоксид титана или оксид магния, или сульфат бария, или сульфат кальция, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

политетрафторэтилен 8-13 порошок алюминиево-магниевого сплава 70 указанное связующее 7-15 указанный дополнительный окислитель 5-12

Известный воспламенительный состав для электровоспламенителей позволяет получить высокую температуру горения, но имеет низкую теплоту сгорания, что указывает на недостаточную воспламеняющую способность состава, требуемую для быстрого и надежного зажигания жидких углеводородных топлив.

Наиболее близким по технической сущности является пиротехнический воспламенительный состав по патенту на изобретение RU №2785530, приоритет от 29.03.2022, С06В 33/00, содержащий порошок алюминево-магниевого сплава, политетрафторэтилен и кислородсодержащий окислитель и связующее, где в качестве кислородсодержащего окислителя он содержит нитрат калия, в качестве связующего - нитропленку, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

порошок алюминиево-магниевого сплава 45-65 политетрафторэтилен 15-25 нитрат калия 15-25 нитропленка 5

Указанный пиротехнический воспламенительный состав при горении образует достаточное для надежного воспламенения количество конденсированных продуктов сгорания, но обладает сравнительно низкой температурой вспышки, что повышает уровень опасности при его обращении и хранении. Также наличие в составе нитропленки как активного связующего не обеспечивает высокой механической прочности прессованных зарядов.

Задачей изобретения является разработка пиротехнического воспламенительного состава, обладающего высокими значениями теплоты сгорания и температуры горения, а также низкой энергией воспламенения и высокой температурой вспышки, что обуславливает безопасность при его хранении и эксплуатации, одновременно обеспечивая при этом быстрый и надежный запуск энергетических установок с использованием жидких углеводородных топлив.

Техническая задача решается пиротехническим воспламенительным составом для различных средств воспламенения, содержащего металлическое горючее, политетрафторэтилен, кислородсодержащий окислитель и горючее-связующее, который в качестве металлического горючего содержит порошок алюминиево-магниевого сплава с содержанием алюминия 48 мас. % и магния 52 мас. %, в качестве кислородсодержащего окислителя содержит нитрат калия и, дополнительно, сополимер винилиденфторида и трифторхлорэтилена в качестве горючего-связующего, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

порошок алюминиево-магниевого сплава 50-60 политетрафторэтилен 7-13 нитрат калия 30-35 сополимер винилиденфторида и трифторхлорэтилена 2-3

Наличие металлического горючего в составе позволяет получить в процессе горения большое количество тепла и обеспечить образование высоко нагретых частиц порошка алюминиево-магниевого сплава, являющихся активными центрами начала разложения жидкого углеводородного топлива.

Политетрафторэтилен при взаимодействии с частицами металлического горючего обеспечивает частичное сгорание последнего и образование активных продуктов реакции в высокодисперсном и парообразном состоянии, к которым относятся фториды алюминия и магния. Они концентрируют в себе высокую тепловую энергию и являются активными катализаторами процесса воспламенения жидкого углеводородного топлива.

Нитрат калия обеспечивает высокую полноту окисления металлического горючего, что позволяет уменьшить значения времени горения и увеличить теплоту сгорания пиротехнического воспламенительного состава. Также наличие данного компонента в составе повышает его восприимчивость к начальному тепловому импульсу, сохраняя при этом низкую чувствительность к механическим воздействиям.

Использование сополимера винилиденфторида и трифторхлорэтилена в виде раствора позволяет улучшить технологичность приготовления пиротехнического воспламенительного состава и повысить механическую прочность пиротехнического элемента. При этом данный компонент обеспечивает увеличение поверхности контакта между частицами горючего и окислителей, что приводит к повышению полноты сгорания металлических частиц и выделению большого количества тепловой энергии.

Рецептуры вариантов пиротехнического воспламенительного состава для различных средств воспламенения, в том числе средств запуска энергетических установок и состава - прототипа показаны в таблице 1. Достижение требуемого технического результата подтверждается расчетными данными по значениям теплоты сгорания и температуры горения, а также экспериментальными значениями энергии воспламенения и температуры вспышки состава - прототипа и пиротехнического воспламенительного состава для средств запуска энергетических установок, которые представлены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, заявляемое техническое решение позволило обеспечить соответствие характеристик представленного пиротехнического воспламенительного состава предъявляемым техническим требованиям по термодинамическим и энергетическим характеристикам.

Пиротехнический воспламенительный состав (вариант №3) по сравнению с прототипом обладает более высокими значениями по теплоте сгорания (ΔQ_сг=895 кДж/кг) и по температуре горения (ΔТ_г=217 К), что свидетельствует о выделении большего количества тепловой энергии, необходимой для воспламенения жидкого углеводородного топлива. Энергия воспламенения номинальной рецептуры состава ниже, чем у прототипа (ΔQ_в=9,6 Дж), и, одновременно, соответствует предъявляемым техническим требованиям (Q_в<15,0 Дж), что говорит о его высокой способности к срабатыванию от первичных источников энергии и интенсивному развитию процесса горения. Температура вспышки варианта 3 предлагаемого состава ниже, чем у прототипа (ΔТ_всп=103 К) и также соответствует поставленным требованиям (Т_всп=700÷900 К). Последнее определяет его более высокий уровень технологической безопасности в процессе эксплуатации и хранения.

Снижение содержания порошка алюминиево-магниевого сплава (менее 50 мас. %) за счет повышения содержания нитрата калия и политетрафторэтилена в составе приводит к уменьшению температуры вспышки в результате того, что количество продуктов разложения окислителей оказывается достаточным для более быстрого и полного окисления частиц металлического горючего. Вследствие этого повышается температура горения состава, которая оказывает разрушающее действие на стенки камеры и соединительные патрубки энергетической установки.

Снижение содержания нитрата калия (менее 30,0 мас. %) и политетрафторэтилена (менее 7,0 мас. %) в составе за счет повышения содержания металлического горючего ухудшает условия взаимодействия между компонентами, поскольку количество продуктов разложения окислителей не хватает для того, чтобы полностью окислить поверхность металла. Это, в свою очередь, приводит к снижению теплового эффекта и температуры горения состава.

Использование в составе сополимера винилиденфторида и трифторхлорэтилена в количестве от 1,5 до 3,5 мас. % позволяет обеспечить высокую механическую прочность пиротехнических элементов, физическую стабильность и химическую стойкость состава в широких интервалах температур при эксплуатации и хранении. Изменение содержания горючего-связующего в сторону увеличения или уменьшения от принятого значения в рецептуре приводит к снижению технологичности приготовления пиротехнического воспламенительного состава и получения пиротехнического элемента малой механической прочности соответственно.

В результате варианты №2, 3, 4 пиротехнического воспламенительного состава, содержащие вышеуказанные компоненты при их оптимальном соотношении, обеспечили получение требуемого технического результата. Варианты состава отличаются высокими теплотой сгорания, температурой горения и температурой вспышки, а также низкой энергией воспламенения.

Для подтверждения вышеуказанных термодинамических характеристик (Q_cг, Т_г) пиротехнического воспламенительного состава применялись стандартные и типовые расчетно-экспериментальные методики. Результаты определения количественного содержания компонентов в рецептуре, температуры вспышки (Т_всп), энергии воспламенения (Q_в) и эффективности работы пиротехнических элементов, изготовленных из предложенного пиротехнического воспламенительного состава, подтверждены при проведении огневых испытаний, а также в составе пиротехнического средства воспламенения в условиях стендового варианта энергетической установки.

Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого изобретение явным образом не следует для специалиста в области пиротехники, показал, что оно неизвестно, а с учетом практической возможности серийного приготовления пиротехнического воспламенительного состава для различных средств воспламенения, в том числе средств запуска энергетических установок с использованием жидкого углеводородного топлива, можно сделать вывод о его соответствии критериям патентоспособности.

Изобретение относится к пиротехническим воспламенительным составам и может быть использовано в различных средствах воспламенения, в том числе средствах запуска энергетических установок с использованием жидкого углеводородного топлива. Пиротехнический воспламенительный состав для различных средств воспламенения содержит металлическое горючее, политетрафторэтилен и кислородсодержащий окислитель. Состав содержит порошок алюминиево-магниевого сплава с содержанием алюминия 48 мас. % и магния 52 мас. % в качестве металлического горючего, нитрат калия в качестве кислородсодержащего окислителя и дополнительно сополимер винилиденфторида и трифторхлорэтилена в качестве горючего-связующего. Соотношение компонентов в составе следующее, мас. %: порошок алюминиево-магниевого сплава 50,0-60,0, политетрафторэтилен 7,0-13,0, нитрат калия 30,0-35,0, сополимер винилиденфторида и трифторхлорэтилена 2,0-3,0. Обеспечивается высокая воспламеняющая способность состава за счет обеспечения высоких значений температуры горения и теплоты сгорания, а также низкой энергии воспламенения и высокой температурой вспышки, что гарантирует безопасность при его хранении и эксплуатации, одновременно обеспечивая быстрый и надежный запуск энергетических установок с использованием жидкого углеводородного топлива. 2 табл.

Пиротехнический воспламенительный состав для различных средств воспламенения, содержащий металлическое горючее, политетрафторэтилен и кислородсодержащий окислитель, отличающийся тем, что состав содержит порошок алюминиево-магниевого сплава с содержанием алюминия 48 мас. % и магния 52 мас. % в качестве металлического горючего, нитрат калия в качестве кислородсодержащего окислителя и дополнительно сополимер винилиденфторида и трифторхлорэтилена в качестве горючего-связующего, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

порошок алюминиево-магниевого сплава 50,0-60,0 политетрафторэтилен 7,0-13,0 нитрат калия 30,0-35,0 сополимер винилиденфторида и трифторхлорэтилена 2,0-3,0