RU2183607C2

RU2183607C2 - Smokeless solid rocket fuel

Info

Publication number: RU2183607C2
Application number: RU2000108793A
Authority: RU
Inventors: А.С. Ермилов; Л.Л. Хименко; К.А. Зырянов; В.Н. Аликин; Г.Э. Кузьмицкий
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Пермский завод им. С.М. Кирова"
Priority date: 2000-04-07
Filing date: 2000-04-07
Publication date: 2002-06-20

Abstract

FIELD: rocket fuels. SUBSTANCE: smokeless solid rocket fuel suitable for use in a variety of rocket systems (e.g. for close combat, with laser guidance, high-precision weapon, of space destination) contains nitroisobutyl glycerol trinitrate, polybutadiene-nitrile or polyurethane rubber, cyclotetramethylene tetranitroamine, sulfur or manganese dioxide, lead or copper salt and collagen-type protein in specified proportions. EFFECT: increased level of energetic characteristics and reduced risk of detecting rocket working with this fuel on starting. 1 tbl

Description

Изобретение относится к области создания бездымных твердых ракетных топлив (ТРТ), эксплуатируемых в широком температурном диапазоне (-50...+50), которые могут применяться в различных ракетных системах, например, ближнего боя, с лазерным наведением, высокоточного оружия, космического назначения. The invention relates to the field of creating smokeless solid rocket fuels (TRT), operated in a wide temperature range (-50 ... + 50), which can be used in various missile systems, for example, close combat, laser-guided, high-precision weapons, space purposes .

Известны ТРТ, в том числе и за рубежом, по патенту США 3764418, опублик. 23.03.1972 г., заявленному 09.10.1973 г., содержащему следующие компоненты, мас.%:
Сополимер этилакрилата акриловой кислоты (95:5) - 4,80
Нитроглицерин - 24,50
Газовая сажа - 0,50
Отвердитель UNOX - 201 - 1,05
Перхлорат аммония - 20,20
Циклотетраметилентетранитроамин - 50,50
Это ТРТ имеет удельный импульс I_sp=229,41 кгс•с/кг при Р_к/Р_а=40/1.TPT are known, including abroad, according to US patent 3764418, published. 03/23/1972, the claimed 09.10.1973, containing the following components, wt.%:
Acrylic Acid Ethyl Acrylate Copolymer (95: 5) - 4.80
Nitroglycerin - 24.50
Gas soot - 0.50
Hardener UNOX - 201 - 1.05
Ammonium Perchlorate - 20.20
Cyclotetramethylene tetranitroamine - 50.50
This TRT has a specific impulse I _sp = 229,41 kgf • s / kg at P _k / P _a = 40/1.

Известен также состав ТРТ по патенту США 4216039 от 05.08.1980 г., содержащий, мас.%:
Циклотетраметилентетранитроамин - 75,80
Триметилолэтантринитрат - 15,00
Форполимер (полиэфир с концевыми гидроксильными группами) - 8,48
Нитроцеллюлоза и другие - 0,72
При этом удельный импульс I_sp=229,0 кгс•с/кг при Р_к/Р_а=40/1.Also known composition TRT according to US patent 4216039 from 08/05/1980, containing, wt.%:
Cyclotetramethylene tetranitroamine - 75.80
Trimethylol ethanetrinitrate - 15.00
Prepolymer (hydroxyl terminated polyester) - 8.48
Nitrocellulose and others - 0.72
In this case, the specific impulse I _sp = 229.0 kgf • s / kg at P _k / P _a = 40/1.

Однако данные ТРТ имеют существенный недостаток - сравнительно невысокий уровень энергетических характеристик. Наиболее близким по технической сущности и полученному результату является патент США 4389263, заявленный 09.10.1981 г. , опубликованный 21.06.1983 г. на изобретение "Бездымное твердое топливо", принятое авторами за прототип. Данное топливо содержит, мас.%:
Циклотетраметилентетранитроамин - 56,0
Нитроглицерин - 21,30
Бутантриолтринитрат - 9,15
Форполимер (полиэфир с концевыми гидроксильными группами) - 8,37
Нитроцеллюлоза - 1,11
Катализатор горения - 3,00
Коллагеновый белок - 1,07
Существенным недостатком топлива по прототипу является невысокий уровень энергетических характеристик.However, these TRT have a significant drawback - a relatively low level of energy characteristics. The closest in technical essence and the result obtained is US patent 4389263, claimed 09.10.1981, published on 06.21.1983 for the invention "Smokeless solid fuel", adopted by the authors as a prototype. This fuel contains, wt.%:
Cyclotetramethylene tetranitroamine - 56.0
Nitroglycerin - 21.30
Butanetriol trinitrate - 9.15
Prepolymer (hydroxyl terminated polyester) - 8.37
Nitrocellulose - 1.11
Combustion Catalyst - 3.00
Collagen Protein - 1.07
A significant disadvantage of the fuel of the prototype is the low level of energy characteristics.

Имеет расчетный удельный импульс I_sp=239,0 кгс•с/кг при Р_к/Р_а=40/1 и плотность ρ =1,69 г/см³.Has a calculated specific impulse I _sp = 239,0 kg • s / kg at P _k / P _a = 40/1 and the density ρ = 1,69 g / cm ^3.

Для перспективных ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ) необходимо иметь более высокий уровень энергетических характеристик в связи с возросшими требованиями к ракетным системам. Кроме того, к основному из новых требований относится максимально возможное снижение вероятности обнаружения работающего РДТТ при запуске ракеты. Основными характеристиками выхлопной струи при сгорании ТРТ является видимый шлейф выхлопных газов, дающий демаскирующий признак и влияющий на прохождение управляющих сигналов (включая лазерный луч), передаваемых на ракету. Видимый шлейф газовой струи образуется двумя составляющими: первичным дымом и вторичными продуктами дымообразования. Первый появляется при использовании в топливе металлического горючего (например, алюминия), при горении которого в камере сгорания образуются конденсированные продукты сгорания. Второй образуется в результате взаимодействия продуктов горения топлива и кислорода атмосферы, которое приводит к образованию также конденсированных продуктов сгорания, создающих дымовой шлейф, зависящий от состояния атмосферы. При сгорании наиболее распространенных топлив на основе перхлората алюминия (ПХА) образуется хлористый водород, который создает дымовой шлейф во влажном воздухе (конденсат соляной кислоты). For promising solid propellant rocket engines (solid propellant rocket engines) it is necessary to have a higher level of energy performance due to increased requirements for rocket systems. In addition, the main possible new requirement is the maximum possible reduction in the probability of detecting a working solid propellant rocket during rocket launch. The main characteristics of the exhaust jet during TRT combustion is a visible exhaust gas loop that gives a unmasking sign and affects the passage of control signals (including a laser beam) transmitted to the rocket. The visible plume of a gas jet is formed by two components: primary smoke and secondary smoke products. The first appears when metallic fuel (for example, aluminum) is used in fuel, during the combustion of which condensed products of combustion are formed in the combustion chamber. The second is formed as a result of the interaction of fuel combustion products and atmospheric oxygen, which also leads to the formation of condensed products of combustion, creating a smoke plume, depending on the state of the atmosphere. During the combustion of the most common fuels based on aluminum perchlorate (PHA), hydrogen chloride is formed, which creates a smoke plume in moist air (hydrochloric acid condensate).

С экологической точки зрения, в частности, при использовании в ракетных системах для космических исследований дымообразование за счет галогенсодержащих (НСl, HI) продуктов сгорания также нежелательно (нарушение озонового слоя атмосферы). From an environmental point of view, in particular, when used in rocket systems for space research, smoke generation due to halogen-containing (HCl, HI) combustion products is also undesirable (violation of the ozone layer of the atmosphere).

Задачей изобретения является создание бездымного ТРТ с высоким уровнем энергетических характеристик, а также снижение вероятности обнаружения работающего на этом топливе ракетного двигателя при запуске ракеты. The objective of the invention is to create a smokeless TRT with a high level of energy characteristics, as well as reducing the likelihood of detecting a rocket engine running on this fuel when a rocket is launched.

Задача решается за счет того, что известный состав ТРТ, включающий пластификатор, окислитель - циклотетраметилентетранитроамин, высокомолекулярное связующее, отвердитель, катализатор горения, технологическую добавку - коллагеновый белок, в качестве пластификатора содержит нитроизобутилтринитратглицерин, в качестве связующего - полибутадиеннитрильный каучук или полиуретановый каучук, в качестве отвердителя - серу или двуокись марганца, в качестве катализатора горения - соли свинца или меди, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Нитроизобутилтринитратглицерин - 11,25-32,60
Полибутадиеннитрильный или полиуретановый каучук - 2,05-5,90
Циклотетраметилентетранитроамин - 55,80-83,80
Сера или MnО₂ - 1,50-2,00
Соль свинца или меди - 1,00-2,00
Коллагеновый белок - 0,40-3,00
Состав предлагаемого ТРТ содержит в качестве:
- окислителя - циклотетраметилентетранитроамин ОСТ В84-1509-77;
- высокомолекулярного связующего - полибутадиеннитрильный каучук СКН-40 ГОСТ 738-65;
полиуретановый каучук СКУ-90 ТУ 38.403557-87;
- отвердителя - серу ГОСТ 127-64;
MnО₂ ТУ 6 - 09 - 01 - 718-87;
- пластификатора - нитроизобутилтринитратглицерин Е.Ю. Орлова. Химия и технология бризантных взрывчатых веществ. Л.: Химия. 1973; Л.М. Козлов, В.Н. Бурмистров. Нитроспирты и их производные. КХТИ им. С.М. Кирова, Казань, 1960.The problem is solved due to the fact that the known TPT composition, including a plasticizer, an oxidizing agent - cyclotetramethylene tetranitroamine, a high molecular weight binder, a hardener, a combustion catalyst, a technological additive - collagen protein, contains nitroisobutyl trinitrate glycerol as a plasticizer, and polyurethane nitrate as a binder; hardener - sulfur or manganese dioxide, as a combustion catalyst - salt of lead or copper, in the following ratio of components, wt.%:
Nitroisobutyl trinitrate glycerol - 11.25-32.60
Polybutadiene nitrile or polyurethane rubber - 2.05-5.90
Cyclotetramethylene tetranitroamine - 55.80-83.80
Sulfur or MnO ₂ - 1.50-2.00
Salt of lead or copper - 1.00-2.00
Collagen protein - 0.40-3.00
The composition of the proposed TRT contains as:
- oxidizing agent - cyclotetramethylene tetranitroamine OST B84-1509-77;
- high molecular weight binder - polybutadiene nitrile rubber SKN-40 GOST 738-65;
polyurethane rubber SKU-90 TU 38.403557-87;
- hardener - sulfur GOST 127-64;
MnО ₂ TU 6 - 09 - 01 - 718-87;
- plasticizer - nitroisobutyl trinitrate glycerol E.Yu. Orlova. Chemistry and technology of blasting explosives. L .: Chemistry. 1973; L.M. Kozlov, V.N. Burmistrov. Nitro alcohols and their derivatives. KHTI them. CM. Kirova, Kazan, 1960.

Нитроизобутилтринитратглицерин - маслянистая жидкость (ρ =1,68 г/см³, t≤-35^oС - замерзания (стеклования), t=243^oС - вспышки, удовлетворительная химическая стойкость, менее летуч, чем нитроглицерин), превосходит по мощности (теплоте взрывчатого превращения) нитроглицерин на 7%:

Взрывчатые свойства нитроизобутилтринитратглицерина были подробно изучены Штеттбахером A. (A. Stettbacher. Nitrocellulose, v. 5, 203, 1934), который показал, что это соединение является мощным бризантным взрывчатым веществом, и только отсутствие в то время широкой сырьевой базы не позволило внедрить этот продукт в вооружение (Е.Ю. Орлова. Химия и технология бризантных взрывчатых веществ. Л.: Химия. 1973; Л.М. Козлов, В.Н. Бурмистров. Нитроспирты и их производные. КХТИ им. С.М. Кирова, Казань, 1960). По чувствительности к механическим воздействиям (удару, трению и другим) нитроизобутилтринитратглицерин существенно благоприятнее нитроглицерина. Термодинамически совместим с высокомолекулярными каучуками повышенной полярности, образуя твердые растворы с t≤-50^oС - замерзания (стеклования).Nitroisobutyl trinitrate glycerol is an oily liquid (ρ = 1.68 g / cm ³ , t≤-35 ^o С - freezing (glass transition), t = 243 ^o С - flashes, satisfactory chemical resistance, less volatile than nitroglycerin), exceeds power ( heat of explosive conversion) nitroglycerin by 7%:

The explosive properties of nitroisobutyl trinitrate glycerol were studied in detail by A. Stettbacher (A. Stettbacher. Nitrocellulose, v. 5, 203, 1934), which showed that this compound is a powerful blasting explosive, and only the absence of a wide raw material base at that time did not allow this product in armament (E.Yu. Orlova. Chemistry and technology of blasting explosives. L .: Chemistry. 1973; L.M. Kozlov, V.N. Burmistrov. Nitro alcohols and their derivatives. KHTI named after S.M. Kirov, Kazan, 1960). In terms of sensitivity to mechanical stress (shock, friction, and others), nitroisobutyl trinitrate glycerol is much more favorable than nitroglycerin. Thermodynamically compatible with high molecular weight rubbers of increased polarity, forming solid solutions with t≤-50 ^o C - freezing (glass transition).

Пример конкретного выполнения. Состав готовится следующим образом. Полибутадиеннитрильный каучук (5,9 мас. %) смешивают с нитроизобутилтринитратглицерином (32,6 мас.%), добавляют циклотетраметилентетранитроамин (54,5 мас. %), коллагеновый белок (3,0 мас.%), серу (2,0 мас.%), соль свинца (2,0 мас. %) и перемешивают в смесителе при температуре t=40÷45^oС в течение 1,5÷2 часов, далее отверждают при температуре t=40^oС.An example of a specific implementation. The composition is prepared as follows. Polybutadiene nitrile rubber (5.9 wt.%) Is mixed with nitroisobutyl trinitrate glycerin (32.6 wt.%), Cyclotetramethylene tetranitroamine (54.5 wt.%), Collagen protein (3.0 wt.%), Sulfur (2.0 wt. .%), lead salt (2.0 wt.%) and stirred in a mixer at a temperature of t = 40 ÷ 45 ^o C for 1.5 ÷ 2 hours, then solidify at a temperature of t = 40 ^o C.

В таблице приведены примеры реализации на образцах предлагаемого изобретения в сравнении с прототипом, как наиболее близком по компонентному составу заявленному объекту. Там же представлены характеристики образцов с содержанием компонентов за пределами заявляемого соотношения. Все пределы по компонентам находятся в непосредственной зависимости от приведенных пределов циклотетраметилентетранитроамина, поэтому предельное наполнение по компонентам рассмотрим на примере циклотетраметилентетранитроамина. Из таблицы пример 5 видно, что значение I_sp ниже значения прототипа, то есть если взять циклотетраметилентетранитроамин ниже указанных пределов, то получим значение I_sp ниже, а если взять циклотетрометилентетронитроамин выше заявленного предела, ТРТ не будет обладать приемлемыми реологическими характеристиками. То есть выше и ниже указанных пределов циклотетраметилентетранитроамин брать нецелесообразно.The table shows examples of implementation on samples of the invention in comparison with the prototype, as the closest in composition to the claimed object. The characteristics of samples with the content of components outside the claimed ratio are also presented there. All component limits are directly dependent on the given limits of cyclotetramethylene tetranitroamine, therefore, the maximum content of the components will be examined using the example of cyclotetramethylene tetranitroamine. The table of Example 5 shows that the value of I _{sp is} lower than the value of the prototype, that is, if we take cyclotetramethylene tetranitroamine below the specified limits, we get the value of I _sp below, and if we take cyclotetromethylene tetronitroamine above the stated limit, TPT will not have acceptable rheological characteristics. That is, above and below the specified limits of cyclotetramethylenetetranitroamine it is impractical to take.

Из примера 1 - 3 таблицы следует, что применение нитроизобутилтринитратглицерина в качестве энергетически активного жидкого высокоплотного пластификатора высокомолекулярного полимерного связующего в составе бездымного топлива позволяет существенно увеличить значение расчетного удельного импульса, плотности, а также объемного расчетного импульса (I_v= I_sp•ρ).
Техническим результатом предлагаемого изобретения является значительное повышение энергетических характеристик топлива (на 46,8 кгс/дм³•с), и то, что пределы сгорания не содержат галогеносодержащих компонентов, таких как HCl, HI, что исключает дымообразование и делает горение топлива бездымным.From table 1–3 of the table it follows that the use of nitroisobutyl trinitrate glycerol as an energetically active liquid high-density plasticizer of a high molecular weight polymer binder in smokeless fuels can significantly increase the value of the calculated specific impulse, density, as well as the volumetric calculated impulse (I _v = I _sp • ρ).
The technical result of the invention is a significant increase in the energy characteristics of the fuel (by 46.8 kgf / dm ³ • s), and the fact that the combustion limits do not contain halogen-containing components, such as HCl, HI, which eliminates smoke formation and makes the combustion of fuel smokeless.

Claims

Smokeless solid rocket fuel, including a plasticizer, an oxidizing agent, cyclotetramethylene tetranitroamine, a high molecular weight binder, a hardener, a combustion catalyst, a technological additive - collagen protein, characterized in that the fuel contains nitroisobutyl trinitrate glycerol as a plasticizer, and a polyurethane nitride as a binder; sulfur or manganese dioxide, as a combustion catalyst - salts of lead or copper in the following ratio comrade wt. %:
Nitroisobutyl trinitrate glycerol - 11.25-32.60
Polybutadiene nitrile or polyurethane rubber - 2.05-5.90
Cyclotetramethylene tetranitroamine - 55.80-83.80
Sulfur or Manganese Dioxide - 1.50-2.00
Salt of lead or copper - 1.00-2.00
Collagen protein - 0.40-3.00