PL216928B1 - Sposób wytwarzania stałego heterogenicznego paliwa rakietowego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania stałego heterogenicznego paliwa rakietowego, którego podstawowymi składnikami są: utleniacz - chloran(VII) amonu, proszek glinowy oraz lepiszcze na bazie ciekłego karboksylowego kauczuku nitrylowego.

Znane są sposoby wytwarzania stałych heterogenicznych paliw rakietowych, których podstawowymi składnikami są; utleniacz - chloran(VII) amonu - składający się zazwyczaj z dwóch frakcji: grubo- i drobnoziarnistej, odpowiednio o wielkości cząstek poniżej 400 mikrometrów i poniżej 50 mikrometrów, stanowiący ok. 50-85% masy paliwa, proszek glinowy spełniający rolę dodatku energetycznego, stanowiący ok. 5-20% paliwa oraz lepiszcze na bazie ciekłego karboksylowego kauczuku nitrylowego w postaci terpolimeru butadienu, akrylonitrylu i kwasu akrylowego (PBAN), stanowiące 10-35 % masy paliwa.

Znane sposoby wytwarzania ww. stałych heterogenicznych paliw rakietowych polegają na wykonaniu przedmieszki lepiszcza zawierającego ciekły kauczuk PBAN, plastyfikator w postaci ciekłej substancji organicznej np. adypinianu dioktylu stanowiącego zazwyczaj 2-3% masy paliwa, katalizator spalania paliwa, środki utwardzające, sieciujące oraz wymieszaniu tej przedmieszki z proszkiem glinowym i utleniaczem - chloranem(VII) amonu, zalaniu otrzymanej mieszaniny w postaci ciekłej zawiesiny do formy odlewniczej, a następnie utwardzaniu mieszaniny w podwyższonej temperaturze.

Zazwyczaj przedmieszki składają się z ciekłego kauczuku typu PBAN, plastyfikatora oraz innych wiążących substancji organicznych, opcjonalnie z dodatkiem proszku glinowego (A. Davenas, Solid Rocket Propulsion Technology; Pergamon Press, 1993, str. 440; G.P. Sutton, Rocket Propulsion Elements, John Wiley & Sons, 2001, str. 513; S. Krishnan, S.R. Chakravarthy, S.K. Athithan, Propellants and Explosives Technology, Madras, Indie; 1998; str. 118).

Parametry technologiczne dotyczące sposobu wytwarzania stałych heterogenicznych paliw rakietowych, takie jak skład chemiczny przedmieszki, kolejność dodawania do przedmieszki odważek pozostałych składników paliwa, warunki mieszania, zalewania płynnej mieszaniny paliwa rakietowego do form odlewniczych i warunki prowadzenia utwardzania, w tym temperatura, ciśnienie oraz czas trwania poszczególnych operacji, nie są szczegółowo podawane, Czasami podawane są niektóre parametry wytwarzania stałych heterogenicznych paliw rakietowych, takie jak temperatura, przy której przygotowuje się przedmieszkę, wynosząca 60°C (A. Davenas; Solid Rocket Propulsion Technology; Pergamon Press; 1993, str. 440) lub zakres temperaturowy, w którym prowadzi się zwykle utwardzanie paliwa i czas trwania utwardzania, który zależy od utwardzanej masy paliwa. Według S. Krishnan'a, S.R. Chakravarthy'ego, S.K. Athithan'a (Propellants and Explosives Technology, Madras, Indie, 1998; str. 144) zakres temperaturowy utwardzania wynosi 50-75°C, zaś sam proces utwardzania bloku paliwa o masie 40 kg trwa ok. 5 dni, albo 15-20 dni w przypadku ładunku masy paliwa wynoszącego 25 ton, posiadającego średnicę 3 m.

Istota rozwiązania sposobu według wynalazku dotyczącego wytwarzania stałego heterogenicznego paliwa rakietowego, którego podstawowymi składnikami są: utleniacz - chloran(VII) amonu, proszek glinowy (aluminiowy) oraz lepiszcze na bazie ciekłego karboksylowego kauczuku nitrylowego, polega na tym, że ciekły terpolimer butadienu, akrylonitrylu i kwasu metakrylowego, posiadający średnią liczbową masę cząsteczkową Mn w granicach 2000-3000 oraz liczbę kwasową LK w zakresie 37-50 miesza się z adypinianem dioktylu w stosunku masowym 1: 0,536 przez 1 h w temperaturze 75°C do 90°C i dodaje kolejno cztery równe porcje drobnoziarnistego chloranu(VII) amonu o rozdrobnieniu poniżej 50 mikrometrów, każda o masie 1,2715 razy większej niż masa lepiszcza, mieszając za każdym razem otrzymaną mieszaninę przez 10 minut po dodaniu każdej z trzech pierwszych porcji, zaś po dodaniu czwartej porcji chIoranu(VII) amonu, uzyskaną mieszaninę - przedmieszkę lepiszcza, plastyfikatora i chloranu(VII) amonu, występujących w stosunku wagowym 1:0,536:5,086 miesza się kolejno przez 3 h pod normalnym ciśnieniem oraz przez 3 h pod ciśnieniem obniżonym nie przekraczającym 5,3 kPa do uzyskania jednorodnej, płynnej masy przedmieszki, a następnie 18,23-31,90 części wagowych przedmieszki przenosi się do drugiego termostatowanego kosza ugniatarki planetarnej i przy normalnym ciśnieniu kolejno wprowadza się do niej 2,42-4,49 części wagowych ciekłego karboksylowego kauczuku nitrylowego w postaci terpolimeru butadienu, akrylonitrylu i kwasu metakrylowego o średniej liczbowej masie cząsteczkowej Mn w granicach 2000-3000 oraz liczbie kwasowej LK w zakresie 37-50, 1,02-2,12 części wagowych adypinianu dioktylu wymieszanego z 1 częścią wagową 2,2'-bis(etyloferrocenylo)propanu, mieszając przez 10 minut od chwili dodania ostatniego składnika, po czym wprowadza się 15,00 części wagowych proszku glinowego o rozdrobnieniu poniżej

PL 216 928 B1 mikrometrów w dwóch jednakowych porcjach, tj. wynoszących po 7,50 części wagowych, mieszając przez 10 minut po wprowadzeniu każdej porcji, następnie dodaje się 45,50-56,00 części wagowych chIoranu(VII) amonu o rozdrobnieniu z przedziału od 50 mikrometrów do 400 mikrometrów w trzech porcjach wynoszących odpowiednio 15,00-18,00, 15,00-18,00 oraz 15,50-20,00 części wagowych, mieszając przez 10 minut po wprowadzeniu każdej z dwóch pierwszych porcji oraz 90 minut po dodaniu trzeciej porcji, zaś na końcu dodaje się 3,16 części wagowych ciekłej bisfenolowej żywicy epoksydowej i miesza przez 30 minut pod normalnym ciśnieniem, a następnie przez kolejne 30 minut przy obniżonym ciśnieniu nie przekraczającym 5,3 kPa, otrzymując półpłynną mieszaninę-zawiesinę, którą pod zmniejszonym ciśnieniem 2-5 kPa zalewa się do formy odlewniczej o ustalonej temperaturze z zakresu od 80°C do 90°C, po czym mieszaninę-zawiesinę utwardza w temp. 80°C przez 96 h do uzyskania stałego heterogenicznego paliwa rakietowego.

Skład jakościowy przedmieszki wykorzystywany w sposobie według wynalazku zasadniczo różni się od znanych składów przedmieszek stosowanych do wytwarzania ww. rodzaju heterogenicznych paliw rakietowych ze względu na obecność chloranu(VII) amonu oraz lepiszcza w postaci ciekłego karboksylowego kauczuku nitrylowego - terpolimeru butadienu, akrylonitrylu i kwasu metakrylowego zamiast ciekłego karboksylowego kauczuku nitrylowego - terpolimeru butadienu, akrylonitrylu i kwasu akrylowego (PBAN). Zastosowanie chIoranu(VII) amonu w przedmieszce oraz ww. operacji wytwarzania heterogenicznego paliwa, z uwzględnieniem odpowiedniej kolejności dozowania i mieszania składników paliwa a także wielkości dozowanych mas w określonych warunkach prowadzenia poszczególnych operacji, zapewnia uzyskanie w efektywny sposób stałego heterogenicznego paliwa rakietowego spełniającego wymagania w zakresie bezpieczeństwa produkcji i eksploatacji.

Zastosowanie w sposobie według wynalazku stopniowego, kilkuetapowego (czterokrotnego) dozowania i wymieszania chIoranu(VII) amonu z ciekłymi, organicznymi składnikami przedmieszki, tj. na etapie jej otrzymywania, a następnie, po otrzymaniu przedmieszki - dozowania gruboziarnistego chloranu(VII) amonu w trzech porcjach w obecności ciekłych związków organicznych, zwłaszcza ciekłego kauczuku i plastyfikatora, umożliwia uzyskanie stosunkowo wysokiej zawartości ww. utleniacza w zakresie 70% masowych, gwarantując wysokie parametry energetyczne stałego paliwa rakietowego przy zachowaniu właściwych charakterystyk jego mechanicznej wytrzymałości I zwartości.

Z kolei wykorzystanie ciekłego karboksylowego kauczuku nitrylowego - terpolimeru butadienu, akrylonitrylu i kwasu metakrylowego, posiadającego średnią liczbową masę cząsteczkową Mn w granicach 2000-3000 oraz liczbę kwasową LK w zakresie 37-50 zapewnia jego odpowiednie właściwości technologiczne - przetwórcze, tj. zwartość/konsystencję oraz lepkość. Zastosowanie terpolimeru butadienu, akrylonitrylu i kwasu metakrylowego zamiast ciekłego kauczuku - terpolimeru butadienu, akrylonitrylu i kwasu akrylowego (PBAN) spowodowane jest również dostępnością tego pierwszego w kraju.

P r z y k ł a d

Do termostatowanego kosza ugniatarki planetarnej o temperaturze 80°C wprowadza się kolejno 1 część wagową ciekłego karboksylowego kauczuku nitrylowego - terpolimeru butadienu, akrylonitrylu i kwasu metakrylowego, stanowiącego lepiszcze o średniej liczbowej masie cząsteczkowej Mn wynoszącej 2150 oraz liczbie kwasowej LK wynoszącej 40, 0,536 części wagowych adypinianu dioktylu stanowiącego plastyfikator i miesza przez 1 h, a następnie wprowadza 5,086 części wagowych drobnoziarnistego chloranu(VII) amonu stanowiącego utleniacz o rozdrobnieniu poniżej 50 mikrometrów w czterech równych porcjach, tj. wynoszących 1,2715 części wagowych każda, przy czym po dodaniu każdej z trzech pierwszych porcji, otrzymaną mieszaninę miesza się przez 10 minut, zaś po dodaniu czwartej porcji uzyskaną mieszaninę miesza przez 3 h pod normalnym ciśnieniem oraz przez 3 h pod ciśnieniem obniżonym nie przekraczającym 5,3 kPa do uzyskania jednorodnej, płynnej masy przedmieszki. Następnie, do drugiego termostatowanego kosza ugniatarki planetarnej, o temperaturze 80°C przenosi się 27,34 części wagowych jednorodnej, płynnej przedmieszki, po czym, przy normalnym ciśnieniu wprowadza się do niej kolejno 3,11 części wagowych ciekłego karboksylowego kauczuku nitrylowego - terpolimeru butadienu, akrylonitrylu i kwasu metakrylowego, o średniej liczbowej masie cząsteczkowej Mn wynoszącej 2150 oraz liczbie kwasowej LK wynoszącej 40, 1,39 części wagowych adypinianu dioktylu - plastyfikatora wymieszanego z 1 częścią wagową 2,2'-bis(etyloferrocenylo)propanu - modyfikatora procesu spalania paliwa i miesza przez 10 minut od chwili dodania ostatniego składnika. Następnie wprowadza się 15 części wagowych proszku glinowego - dodatku energetycznego podwyższającego temperaturę spalania paliwa, o rozdrobnieniu poniżej 32 mikrometrów w dwóch jednakowych porcjach, tj. wynoszących po 7,50 części wagowych, mieszając przez 10 minut

PL 216 928 B1 po wprowadzeniu każdej porcji i dodaje się 49 części wagowych chloranu(VII) amonu o rozdrobnieniu z przedziału od 50 mikrometrów do 400 mikrometrów w trzech porcjach wynoszących odpowiednio 16,00, 16,00 oraz 17,00 części wagowych, mieszając przez 10 minut po wprowadzeniu każdej z dwóch pierwszych porcji oraz 90 minut po dodaniu trzeciej porcji. Na końcu dodaje się 3,16 części wagowych ciekłej bisfenolowej żywicy epoksydowej - środka utwardzającego/sieciującego, mieszając przez 30 minut pod normalnym ciśnieniem, a następnie przez kolejne 30 minut przy obniżonym ciśnieniu nie przekraczającym 5,3 kPa, otrzymując półpłynną mieszaninę-zawiesinę, którą pod zmniejszonym ciśnieniem wynoszącym 2 kPa zalewa się do formy odlewniczej o temperaturze 80°C, po czym mieszaninę-zawiesinę utwardza się w temp. 80°C przez 96 h do uzyskania stałego heterogenicznego paliwa rakietowego.

W ten sposób otrzymuje się 100 części wagowych stałego heterogenicznego paliwa rakietowe₃ go o gęstości 1,78 g/cm³, zawierającego 70% wagowych utleniacza - chIoranu(VII) amonu, 7,24% wagowych lepiszcza - terpolimeru butadienu, akrylonitrylu i kwasu metakrylowego, 3,60% wagowych plastyfikatora - adypinianu dioktylu, 15% wagowych proszku glinu, 1% wagowy modyfikatora szybkości spalania, tj. 2,2'-bis(etyloferrocenylo)propanu oraz 3,16% wagowych środka utwardzającego - bisfenolowej żywicy epoksydowej. Impuls właściwy otrzymanego w ww. sposób stałego heterogenicznego paliwa rakietowego wynosi ok. 2500 Ns/kg, zaś jego kaloryczność ma wartość 6700 kJ/kg. Paliwo to przy ciśnieniu 4 MPa spala się z szybkością ok. 15 mm/s. Niniejsze fizykochemiczne właściwości i parametry stałego heterogenicznego paliwa rakietowego, w tym jego charakterystyki energetyczne i balistyczne są porównywalne z charakterystykami stałych heterogenicznych paliw rakietowych stosowanych na świecie (np. G.P. Sutton, Rocket Propulsion Elements, John Wiley & Sons, 2001, str. 479, tab. 12-1). A zatem, spełniają istotne wymagania eksploatacyjne stawiane tego rodzaju materiałom wysokoenergetycznym, znamionując ich przydatność w rakietowych układach napędowych na paliwo stałe.

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania stałego heterogenicznego paliwa rakietowego, którego podstawowymi składnikami są: utleniacz - chIoran(VII) amonu, proszek glinowy oraz lepiszcze na bazie ciekłego karboksylowego kauczuku nitrylowego, polegający na wykonaniu przedmieszki składającej się z ciekłego karboksylowego kauczuku nitrylowego, plastyfikatora - adypinianu dioktylu i drobnoziarnistego chIoranu(VII) amonu oraz dodawaniu do przedmieszki kolejnych porcji składników paliwa rakietowego, zawierających chloran(VII) amonu, proszek glinowy, plastyfikator, modyfikator szybkości spalania, wymieszaniu tych porcji z przedmieszką, zalaniu otrzymanej mieszaniny do formy odlewniczej, a następnie utwardzaniu mieszaniny, znamienny tym, że ciekły terpolimer butadienu, akrylonitrylu i kwasu metakrylowego miesza się z adypinianem dioktylu w stosunku masowym 1; 0,536 przez 1 h w temperaturze od 75°C do 90°C i dodaje się kolejno cztery równe porcje drobnoziarnistego chloranu(VII) amonu o rozdrobnieniu poniżej 50 mikrometrów, każda o masie 1,2715 razy większej niż masa terpolimeru butadienu, akrylonitrylu i kwasu metakrylowego, mieszając za każdym razem otrzymaną mieszaninę przez 10 minut po dodaniu każdej z trzech pierwszych porcji, zaś po dodaniu czwartej porcji chIoranu(VII) amonu, uzyskaną przedmieszkę stanowiącą mieszaninę ww. terpolimeru, plastyfikatora i chloranu(VlI) amonu, występujących w stosunku wagowym 1:0,536:5,086 miesza się kolejno przez 3 h pod normalnym ciśnieniem oraz przez 3 h pod ciśnieniem obniżonym nie przekraczającym 5,3 kPa do uzyskania jednorodnej, płynnej masy przedmieszki, a następnie 18,23-31,90 części wagowych przedmieszki przenosi się do drugiego termostatowanego kosza ugniatarki planetarnej o temperaturze od 75°C do 90°C i przy normalnym ciśnieniu do przedmieszki dodaje się kolejno 2,42-4,49 części wagowych ciekłego karboksylowego kauczuku nitrylowego w postaci terpolimeru butadienu, akrylonitrylu i kwasu metakrylowego, 1,02-2,12 części wagowych adypinianu dioktylu wymieszanego z 1 częścią wagową 2,2'-bis(etyloferrocenylo)propanu, mieszając przez 10 minut od chwili dodania ostatniego składnika, po czym wprowadza się 15,00 części wagowych proszku glinowego o rozdrobnieniu poniżej 32 mikrometrów w dwóch jednakowych porcjach, tj. wynoszących po 7,50 części wagowych, mieszając przez 10 minut po wprowadzeniu każdej porcji, następnie dodaje się 45,50-56,00 części wagowych chloranu(VII) amonu o rozdrobnieniu z przedziału od 50 mikrometrów do 400 mikrometrów w trzech porcjach wynoszących odpowiednio 15,00-18,00, 15,00-18,00 oraz 15,50-20,00 części wagowych, mieszając przez 10 minut po wprowadzeniu każdej z dwóch pierwszych porcji oraz 90 minut

   PL 216 928 B1 po dodaniu trzeciej porcji, zaś na końcu dodaje się 3,16 części wagowych ciekłej bisfenolowej żywicy epoksydowej i miesza przez 30 minut pod normalnym ciśnieniem, a następnie przez kolejne 30 minut przy obniżonym ciśnieniu nie przekraczającym 5,3 kPa, otrzymując półpłynną mieszaninę-zawiesinę, którą pod zmniejszonym ciśnieniem 2-5 kPa zalewa się do formy odlewniczej o ustalonej temperaturze z zakresu od 80°C do 90°C, po czym mieszaninę-zawiesinę utwardza w temperaturze 80°C przez 96 h do uzyskania stałego heterogenicznego paliwa rakietowego.
2. 2. Sposób wytwarzania stałego heterogenicznego paliwa rakietowego, według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że ciekły główny składnik lepiszcza w postaci terpolimeru butadienu, akrylonitrylu i kwasu metakrylowego wprowadzany do tworzonej kompozycji heterogenicznego paliwa rakietowego posiada średnią liczbową masę cząsteczkową Mn w granicach 2000-3000 oraz liczbę kwasową LK w zakresie 37-50.