PL222544B1 - Sposób wytwarzania stałego heterogenicznego paliwa rakietowego - Google Patents

Description

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 222544 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 396910 (22) Data zgłoszenia: 08.11.2011 (51) Int.Cl.

C10L 7/02 (2006.01) C06B 29/22 (2006.01) (54) Sposób wytwarzania stałego heterogenicznego paliwa rakietowego (73) Uprawniony z patentu:

(43) Zgłoszenie ogłoszono:

13.05.2013 BUP 10/13

INSTYTUT PRZEMYSŁU ORGANICZNEGO, Warszawa, PL

ZAKŁAD PRODUKCJI SPECJALNEJ GAMRAT SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Jasło, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono:

31.08.2016 WUP 08/16 (72) Twórca(y) wynalazku:

BOGDAN FLORCZAK, Warszawa, PL ANDRZEJ CHOLEWIAK, Jasło, PL MAREK BIAŁEK, Jasło, PL JANUSZ SYPIEŃ, Jasło, PL

MACIEJ MISZCZAK, Warszawa, PL

PL 222 544 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania stałego heterogenicznego paliwa rakietowego, którego podstawowymi składnikami są: utleniacz - chloran(VII) amonu, proszek glinowy(aluminiowy) oraz lepiszcze na bazie ciekłego kauczuku polibutadienowego zakończonego grupami hydroksylowymi (HTPB).

Znane są sposoby wytwarzania stałych heterogenicznych paliw rakietowych, których podstawowymi składnikami są: utleniacz - chloran(VII) amonu składający się z dwóch frakcji, tj. gruboi drobnoziarnistej, odpowiednio o wielkości w zakresie 50:400 mikrometrów i poniżej 50 mikrometrów, stanowiący ok. 50-85% masy paliwa, proszek glinowy spełniający rolę dodatku energetycznego stanowiący ok. 5:18% masy paliwa, oraz lepiszcze na bazie syntetycznego kauczuku α,ω-dihydroksypolibutadienowego (HTPB) wymieszanego z plastyfikatorem - adypinianem dioktylu, katalizatorem szybkości spalania - 2,2'-bis(etyloferrocenylo)propanem oraz środkiem sieciującym (utwardzającym) (2-heptylo-3,4-bis(9-izocyjanianononylo)-1-pentylocyklohaksanem, bardziej znanym pod nazwą izoc yjanianu dimerylu (oznaczanego skrótem DDI pochodzącym od angielskiej nazwy tego związku, tj. „dimeryl diisocyanate”), stanowiące zazwyczaj 9:15% masy paliwa, przy czym syntetyczny kauczuk α,ω-dihydroksypolibutadienowy (HTPB) stanowi ok. 10:13% masy paliwa.

Znane sposoby wytwarzania tego rodzaju stałych heterogenicznych paliw rakietowych polegają na odgazowaniu ciekłego kauczuku HTPB, jego wymieszaniu z plastyfikatorem - adypinianem dioktylu i katalizatorem spalania - 2,2'-bis(etyloferrocenylo)propanem oraz dodawaniu kolejnych porcji pozostałych składników paliwa rakietowego, tj. chloranu(VII) amonu oraz proszku glinowego.

Po dozowaniu każdej porcji składniki tworzące kompozycję paliwa rakietowego są mieszane. Na końcu do mieszaniny dodawany jest środek utwardzający, po czym kompozycja paliwa rakietow ego jest mieszana, a następne odlewana pod zmniejszonym ciśnieniem do formy odlewniczej, w której jest utwardzana.

Zazwyczaj wytwarzanie heterogenicznego paliwa rakietowego odbywa się w ramach dwóch zasadniczych etapów: pierwszego polegającego na wykonaniu w oddzielnym mieszalniku przedmieszki, tj. początkowej mieszaniny zawierającej ciekły kauczuk HTPB, plastyfikator, katalizator szybkości palenia i opcjonalnie proszek glinowy oraz drugiego - polegającego na skierowaniu przedmieszki do innego mieszalnika i jej wymieszaniu z utleniaczem - chloranem(VII) amonu i opcjonalnie proszkiem glinowym. Jako ostatni dozowany jest środek utwardzający (sieciujący). Dozowanie utleniacza oraz proszku glinowego przebiega co najmniej w dwóch etapach. Mieszanie często jest wykonywane w podwyższonej temperaturze i pod zmniejszonym ciśnieniem w celu usunięcia produktów gazowych, co sprzyja uzyskaniu jednorodnej i zwartej masy paliwa. Parametry technologiczne dotyczące sposobu wytwarzania stałych heterogenicznych paliw rakietowych, takie jak kolejność dodawania składników, wielkość dozowanych porcji składników, warunki mieszania, zalewania płynnej mieszaniny paliwa rakietowego do form odlewniczych i warunki prowadzenia utwardzania nie są szczegółowo podawane. Czasami podawane są niektóre parametry ww. etapów wytwarzania stałych heterogenicznych paliw rakietowych. Na przykład w Raporcie Technicznym DSTO-TR-0121 (z 1995 r) Organizacji Badawczo - Technicznej Departamentu Obrony Australii, podana jest temperatura mieszania pod zmniejszonym ciśnieniem składników heterogenicznego paliwa rakietowego na bazie chloranu(VII) amonu, kauczuku HTPB, proszku glinowego, katalizatora szybkości spalania - 2,2'-bis(etyloferrocenylo)propanu oraz środka sieciującego (2-heptylo-3,4-bis(9-izocyjanianononylo)-1-pentylo-cyklohaksanu (DDI), która wynosi 60°C. Według niniejszego raportu temperatura procesu utwardzania ww. kompozycji, trwającego 168 h, również wynosi 60°C. W artykule opublikowanym przez V. Rodic w czasopiśmie Scientific Technical Review, vol. VII, No. 3-4 (2007 r) str. 77-82, podana jest temperatura mieszania, czas trwania i temperatura procesu utwardzania kompozycji heterogenicznego paliwa rakietowego na bazie chloranu(VII) amonu, kauczuku HTPB, proszku glinowego oraz środka sieciującego DDI, które wynoszą odpowiednio 50±2°C, 120 h oraz 70±2°C. Podane jest również ciśnienie odlewania próżniowego heterogenicznych (kompozytowych) paliw rakietowych, które mieści się w zakresie 10:30 mm słupa rtęci (A. Davenas (Ed.); Solid Rocket Propulsion Technology; Pergam on Press, Oxford, New York, Seoul, Tokyo;1993, str. 445) lub 5:7 mm słupa rtęci w przypadku heterogenicznych paliw rakietowych zawierających jako lepiszcze kauczuk HTPB (S. Krishnan (Ed.), S.K. Athithan (Ed.); (Propellants, Explosives, Rockers, and Guns; Allied Publishers Liimited, New Dehli, Mumbai, Calcutta, Lucknow, Madras, Nagpur, Bangalore, Hyderabad, Ahmedabad; 1998; str. 463).

PL 222 544 B1

Amerykański patent US5619073 opisuje elementy technologii otrzymywania heterogenicznego paliwa rakietowego na bazie chloranu(VII) amonu, żywicy polimerycznej, w ramach której mieszanie składników paliwa odbywa się w zakresie temperatury 54,4:65,5°C, zaś odlewanie do otwartej od góry formy odlewniczej zachodzi w przedziale temperaturowym wynoszącym 54,4:57,2°C.

Istota rozwiązania sposobu według wynalazku dotyczącego wytwarzania stałego heterogenicznego paliwa rakietowego, którego podstawowymi składnikami są: utleniacz - chloran(VII) amonu, proszek glinowy - dodatek energetyczny oraz lepiszcze na bazie ciekłego syntetycznego kauczuku α,ω-dihydroksypolibutadienowego posiadającego stężenie równoważnikowe grup hydroksylowych w zakresie 0,07:0,08/100 g, polega na tym, że do mieszalnika o temperaturze 50:55°C wprowadza się 9:13 części wagowych ciekłego syntetycznego kauczuku α,ω-dihydroksypolibutadienowego miesza się i odgazowuje przy obniżonym ciśnieniu nie przekraczającym 5,3 kPa przez 30 minut, wprowadza kolejno 1,00:3,00 części wagowe adypinianu dioktylu, 0,20:0,80 części wagowych 2,2'-bis(etyloferrocenylo)propanu i miesza przez 15 min, a następnie wprowadza się 18:24 części wagowych drobnoziarnistego chloranu(VII) amonu o rozdrobnieniu poniżej 50 mikronów w trzech równych porcjach, przy czym po dodaniu każdej z dwóch pierwszych porcji, otrzymaną mieszaninę miesza się przez 10 minut, zaś po dodaniu trzeciej porcji uzyskaną mieszaninę miesza przez 50 minut pod normalnym ciśnieniem oraz 20 min przy obniżonym ciśnieniu nie przekraczającym 5,3 kPa, a następnie wprowadza się 12:18 części wagowych proszku glinowego rozdrobnieniu poniżej 32 mikrometrów w dwóch jednakowych porcjach mieszając przez 10 minut po wprowadzeniu każdej porcji i dodaje się 45:50 części wagowych chloranu(VII) amonu o rozdrobnieniu z zakresu 50:400 mikrometrów w trzech jednakowych porcjach, mieszając przez 10 minut po wprowadzeniu każdej z dwóch pierwszych porcji oraz 50 minut po dodaniu trzeciej porcji, po czym dodaje się 1,50:3,00 części wagowych ciekłego (2-heptylo-3,4-bis(9-izocyjanianononylo)-1-pentylocyklohaksanu - środka utwardzającego, mieszając przez 15 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 5 kPa zalewa się do formy odlewniczej o temperaturze 50:55°C i utwardza w temperaturze 50:55°C przez 120 h do uzyskania stałego heterogenicznego paliwa rakietowego. Stosunek ilości grup izocyjanianowych środka utwardzającego do ilości grup hydroksylowych ciekłego syntetycznego kauczuku α,ω-dihydroksypolibutadienowego mieści się w zakresie 0,9:1,0.

Sposób według wynalazku nie zawiera etapu przygotowania przedmieszki, co znacznie upraszcza technologię otrzymywania heterogenicznego paliwa rakietowego. Zastosowanie w sposobie według wynalazku stopniowego, kilkuetapowego (sześciokrotnego) dozowania i wymieszania chloranu(VII) amonu z ciekłymi, organicznymi składnikami, zwłaszcza z ciekłym kauczukiem (HTPB) i plastyfikatorem umożliwia uzyskanie wysokiej zawartości ww. utleniacza wynoszącego 74% masowych stałego paliwa rakietowego, gwarantując jego wysokie parametry energetyczne i mechaniczne. Z kolei wykorzystanie ciekłego syntetycznego kauczuku α,ω-dihydroksypolibutadienowego zapewnia odpowiednie właściwości technologiczne - przetwórcze tj. zwartość/konsystencję oraz lepkość, co bezpośrednio wpływa na uzyskanie przez utwardzone (stałe) paliwo rakietowe odpowiednich mechanicznych parametrów/charakterystyk - wytrzymałościowych i Teologicznych, zapewniających w istotnym stopniu bezpieczeństwo i niezawodność działania ładunku stałego paliwa podczas jego spalania w silniku rakietowym.

P r z y k ł a d. Do termostatowanego kosza ugniatarki planetarnej o temperaturze 55°C wprowadza się kolejno 11,34 części wagowe ciekłego syntetycznego kauczuku α,ω-dihydroksypolibutadienowego miesza się i odgazowuje przy obniżonym ciśnieniu nie przekraczającym 5,3 kPa przez 30 min i wprowadza 2 części wagowe adypinianu dioktylu, 0,4 części wagowe 2,2'-bis(etyloferrocenylo)propanu i miesza przez 1 5 min, a następnie wprowadza 20,4 części wagowych drobnoziarnistego chloranu(VII) amonu o rozdrobnieniu poniżej 50 mikronów w trzech równych porcjach tj. wyn oszących 6,8 części wagowych każda, przy czym po dodaniu każdej z dwóch pierwszych porcji, otrzymaną mieszaninę miesza się przez 10 minut, zaś po dodaniu trzeciej porcji uzyskaną mieszaninę miesza przez 50 min pod normalnym ciśnieniem oraz 20 min przy obniżonym ciśnieniu nie przekraczającym 5,3 kPa. Następnie wprowadza się 16 części wagowych proszku glinowego - dodatku energetycznego podwyższającego temperaturę palenia paliwa, o rozdrobnieniu poniżej 32 mikrometrów w dwóch jednakowych porcjach, tj. wynoszących po 8 części wagowych, mieszając przez 10 minut po wprowadzeniu każdej porcji i dodaje się 47,60 części wagowych chloranu(VII) amonu o rozdrobnieniu z przedziału od 50 mikrometrów do 400 mikrometrów w trzech porcjach mieszając przez 10 minut po wprowadzeniu każdej z dwóch pierwszych porcji oraz 50 minut po dodaniu trzeciej porcji. Na końcu dodaje się 2,26 części wagowych ciekłego (2-heptylo-3,4-bis(9-izocyjanianononylo)-1-pentylocyklo4

PL 222 544 B1 haksanu - środka utwardzającego, mieszając przez 15 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 5 kPa zalewa się do formy odlewniczej o temperaturze 55°C, po czym mieszaninę-zawiesinę utwardza się w temp. 55°C przez 120 h do uzyskania stałego heterogenicznego paliwa rakietowego. W ten sposób otrzymuje się 100 części wagowych stałego heterogenicznego paliwa rakietowego o gęstości 1,78 g/cm , zawierającego 68,00% wagowych utleniacza, 11,34% wagowych lepiszcza - ciekłego syntetycznego kauczuku α,ω-dihydroksypolibutadienowego, 2,0% wagowych plastyfikatora - adypinianu dioktylu, 16,00% wagowych glinu, 0,4% wagowego katalizatora palenia tj. 2,2'-bis(etyloferrocenylo)propanu oraz 2,26% wagowych utwardzacza - ciekłego (2-heptylo-3,4-bis(9-izocyjanianononylo)-1-pentylocyklohaksanu. Impuls właściwy otrzymanego w ww. sposób stałego heterogenicznego paliwa rakietowego wynosi ok. 2500 Ns/kg, zaś jego kaloryczność ma wartość 6630 kJ/kg. Paliwo to przy ciśnieniu 7 MPa pali się z szybkością ok. 12 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, Roc ket 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 - chloran(VII) amonu, dodatek energetyczny - proszek glinowy oraz lepiszcze na bazie ciekłego syntetycznego kauczuku α,ω-dihydroksypolibutadienowego, polegający na wymieszaniu niniejszego ciekłego kauczuku z plastyfikatorem - adypinianem dioktylu i katalizatorem spalania - 2,2'-bis(etyloferrocenylo)propanem oraz dodawaniu kolejnych porcji pozostałych składników paliwa rakietowego, w tym składnika sieciującego, wymieszaniu po dozowaniu każdej porcji, zalaniu otrzymanej mieszaniny do formy odlewniczej pod zmniejszonym ciśnieniem, a następnie utwardzaniu mieszaniny, znamienny tym, że do mieszalnika o temperaturze 50:55°C wprowadza się 9:13 części wagowych ciekłego syntetycznego kauczuku α,ω-dihydroksypolibutadienowego miesza się i odgazowuje przy obniżonym ciśnieniu nie przekraczającym 5,3 kPa przez 30 minut, wprowadza k olejno 1,00:3,00 części wagowe adypinianu dioktylu, 0,20:0,80 części wagowych 2,2'-bis(etyloferrocenylo)propanu i miesza przez 15 min, a następnie wprowadza się 18:24 części wagowych drobnoziarnistego chloranu(VII) amonu o rozdrobnieniu poniżej 50 mikronów w trzech równych porcjach, przy czym po dodaniu każdej z dwóch pierwszych porcji, otrzymaną mieszaninę miesza się przez 10 minut, zaś po dodaniu trzeciej porcji uzyskaną mieszaninę miesza przez 50 minut pod normalnym ciśnieniem oraz 20 min przy obniżonym ciśnieniu nie przekraczającym 5,3 kPa, a następnie wprowadza się 12:18 części wagowych proszku glinowego rozdrobnieniu poniżej 32 mikrometrów w dwóch jednakowych porcjach mieszając przez 10 minut po wprowadzeniu każdej porcji i dodaje się 45:50 części wagowych chloranu(VII) amonu o rozdrobnieniu z zakresu 50:400 mikrometrów w trzech jednakowych porcjach, mieszając przez 10 minut po wprowadzeniu każdej z dwóch pierwszych porcji oraz 50 minut po dodaniu trzeciej porcji, po czym dodaje się 1,50:3,00 części wagowych ciekłego (2-heptylo-3,4-bis(9-izocyjanianononylo)-1-pentylocyklohaksanu-środka utwardzającego, mieszając przez 15 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 5 kPa zalewa się do formy odlewniczej o temperaturze 50:55°C i utwardza w temperaturze 50:55°C przez 120 h do uzyskania stałego heterogenicznego paliwa rakietowego.
2. 2. Sposób wytwarzania stałego heterogenicznego paliwa rakietowego, według zastrz. 1, znamienny tym, że α,ω-dihydroksypolibutadien posiada stężenie równoważnikowe grup hydroksylowych w zakresie 0,07:0,08/100 g, zaś stosunek ilości grup izocyjanianowych środka utwardzającego do ilości grup hydroksylowych ciekłego syntetycznego kauczuku α,ω-dihydroksypolibutadienowego mieści się w zakresie 0,9:1,0.