RU2474567C2 - Способ получения смесевого твердого топлива с металлическим горючим - Google Patents
Способ получения смесевого твердого топлива с металлическим горючим Download PDFInfo
- Publication number
- RU2474567C2 RU2474567C2 RU2010130760/05A RU2010130760A RU2474567C2 RU 2474567 C2 RU2474567 C2 RU 2474567C2 RU 2010130760/05 A RU2010130760/05 A RU 2010130760/05A RU 2010130760 A RU2010130760 A RU 2010130760A RU 2474567 C2 RU2474567 C2 RU 2474567C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel
- combustion
- aluminum
- mixed
- metal
- Prior art date
Links
Landscapes
- Solid Fuels And Fuel-Associated Substances (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области разработки смесевых металлизированных твердых топлив. Изобретение заключается в добавлении к смеси окислителя, органического горючего-связующего и технологических добавок в качестве металлического горючего бидисперсной смеси порошка алюминия микронных размеров и нанопорошка алюминия в соотношении 40/60 мас.% в количестве 10-25 мас.%. Изобретение обеспечивает улучшение характеристик горения топлива без существенного изменения его рецептурного состава. Полученный эффект, подтвержденный экспериментально при сжигании образцов топлива при атмосферном давлении, заключается в повышении скорости горения топлива, полноты сгорания алюминия, снижении содержания конденсированных частиц в продуктах сгорания. 2 з.п. ф-лы, 5 табл.
Description
Изобретение относится к области получения высокоэнергетических металлизированных твердых топлив и может быть использовано при разработке смесевых твердых топлив для широкого класса ракетных двигателей.
Современные композиции смесевых металлизированных твердых ракетных топлив содержат три основных компонента - полимерное горючее-связующее, окислитель и порошок алюминия в качестве металлического горючего [1]. В традиционных композициях твердых топлив для повышения адиабатической температуры горения и, следовательно, основной энергетической характеристики - удельного импульса тяги используются порошки алюминия промышленных марок АСД-1, АСД-4, АСД-6 и т.д. с размером частиц (1÷25) мкм [2].
Известно, что замена порошков алюминия марок АСД микронных размеров на нанопорошок алюминия марки ALEX со средним размером частиц ~0.1 мкм [3] в состав твердых топлив приводит к повышению энергетических характеристик топлива за счет увеличения полноты сгорания частиц алюминия и увеличению скорости горения в (1.3÷1.6) раз [4, 5].
Однако получение смесевых твердых топлив, содержащих в качестве металлического горючего нанодисперсный алюминий, технологически затруднено из-за существенного изменения реологии топливной массы [6]. Кроме того, себестоимость получения нанопорошков ALEX методом взрыва проволочек значительно выше, чем для получения промышленных порошков микронных размеров марок АСД.
Наиболее близким по техническому решению к заявляемому способу является получение твердотопливной композиции на основе нитрата аммония, в состав которой вводится смесь порошков алюминия марок АСД-1 и ALEX в соотношении 1:1 при общем содержании алюминия в топливе 15 мас.% [7].
Снижение содержания нанопорошка алюминия ALEX в металлическом горючем в два раза способствует улучшению реологических характеристик топливной массы и снижению себестоимости топливной композиции [8]. К недостаткам прототипа относится невысокий уровень удельного импульса тяги, что ограничивает области его применения в ракетных двигателях.
Техническим результатом изобретения является разработка способа получения смесевого твердого топлива с металлическим горючим с высоким уровнем скорости горения, меньшим содержанием конденсированных продуктов сгорания при относительно невысокой себестоимости топливной композиции.
Технический результат достигается тем, что разработан способ получения смесевого твердого топлива с металлическим горючим путем механического перемешивания окислителя, горючего-связующего, металлического горючего и технологических добавок. В качестве металлического горючего используют бидисперсную смесь порошка алюминия микронных размеров и нанопорошка алюминия в соотношении 40/60 мас.%, которую перемешивают до осредненного состояния не менее тридцати минут и вводят в количестве (10÷25) мас.% в полностью перемешанную смесь окислителя, горючего-связующего и технологических добавок, полученную топливную массу дополнительно перемешивают в течение не менее 30 минут, а затем вакуумируют в течение не менее 30 минут.
В качестве окислителя используют перхлорат аммония, или нитрат аммония, или смешанный окислитель, включающий нитрат аммония и нитрамин, а в качестве горючего-связующего используют каучуки, пластифицированные трансформаторным маслом или нитросодержащими соединениями.
Полученный положительный эффект улучшения характеристик горения смесевого твердого топлива с бидисперсным порошком алюминия объясняется тем, что нанодисперсная составляющая смеси (порошок ALEX) обладает повышенной химической активностью по сравнению с порошками марок АСД [9]. Нанодисперсный алюминий вступает в реакцию окисления при более низких температурах и характеризуется высокой полнотой сгорания, что приводит к выделению дополнительного тепла в ведущей зоне горения. Все это способствует интенсификации процесса горения частиц алюминия микронных размеров, входящих в состав бидисперсной смеси.
Пример реализации способа
Реализацию способа проводили на образцах, изготовленных перемешиванием исходных компонентов в смесителе типа "Бэкон" с последующим формованием топливной массы в виде цилиндрических образцов диаметром 10 мм и высотой 35 мм и полимеризацией топливной массы при комнатной температуре в течение 24 часов. В качестве металлического горючего использовали бидисперсную смесь микронных и нанодисперсных порошков алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Алюминий марок АСД | 40 |
Нанодисперсный алюминий | 60, |
которую предварительно перемешивали до усредненного состояния не менее 30 мин и вносили в полностью перемешанную топливную массу в количестве (10÷25) мас.% с последующим перемешиванием топливной массы в течение не менее 30 мин и вакуумированием в течение не менее 30 мин.
В ходе экспериментов определяли скорость горения образцов при атмосферном давлении, содержание конденсированных веществ и содержание металлического алюминия в продуктах сгорания.
1. Скорость горения образцов при атмосферном давлении.
Образцы бронировали по боковой поверхности раствором линолеума в ацетоне. Влияние бронировки на содержание твердых веществ в продуктах сгорания оценивали независимым способом. Скорость горения определяли по формуле: u=h/t где u - скорость горения образца, мм/с, t - время горения образца, h - высота образца, мм.
2. Содержание конденсированных веществ в продуктах сгорания.
Сжигание образцов проводили на текстолитовой площадке, снабженной кварцевым устройством для отбора конденсированных веществ, образующихся при горении. При атмосферном давлении (90÷95) мас.% конденсированных веществ в продуктах сгорания остается на месте сгоревшего образца. Оценку содержания конденсированных веществ в продуктах сгорания проводили по формуле: z=(Pпр/Рисх)100%, мас.%, где z - содержание конденсированных веществ в продуктах сгорания, мас.%, Рисх - масса исходного образца без бронировки, г, Рпр - масса конденсированных продуктов сгорания, г.
3. Содержание металлического алюминия в конденсированных продуктах сгорания.
Недогорание введенного в топливо алюминия определяли с помощью волюмометрического метода по выделившемуся объему водорода при действии на пробу 5% раствора гидрооксида калия [10]. Расчет содержания алюминия в навеске конденсированных продуктов сгорания оценивали исходя из реакции
2Al+6КОН=2K3AlO3+3Н2↑,
по которой 10 мг чистого металла выделяют 12.5 мл водорода.
Измерение объема выделенного водорода проводили с помощью газовой бюретки. Согласно [10] погрешность измерений оценивали по формуле: , %, где С - относительная погрешность измерений, V1 - цена одного деления газовой бюретки, мл, V2 - объем бюретки, мл. Для используемой газовой бюретки погрешность измерений составляла 0.01%.
Содержание алюминия в конденсированных продуктах сгорания оценивали следующим образом.
- Рассчитывали содержание исходного алюминия пробе конденсированных продуктов сгорания образца, учитывая химическую реакцию
где PAl - содержание алюминия в пробе конденсированных продуктов сгорания, мг;
V - объем водорода, выделившегося в результате обработки пробы, мл.
- Оценивали содержание PAl по отношению к пробе конденсированных продуктов сгорания
где В - масса алюминия в продуктах сгорания, то есть недогорание, мас.%;
mAl - масса исходного алюминия в пробе, мг;
mпр - масса навески твердых продуктов сгорания, проба, мг.
В ходе экспериментов варьировали общее содержание металлического горючего в топливе от 10 до 25 мас.% при сохранении соотношения фракций АСД/ALEX как 2/3 и природу органического горючего-связующего (активные горючие-связующие с коэффициентом избытка окислителя (0.4÷0.6) и инертные горючие-связующие типа БК и СКДМ).
Полученные экспериментальные данные приведены в таблицах 1-4. Анализ приведенных данных показывает, что использование предлагаемого способа приводит к повышению скорости горения смесевых твердых топлив до уровня систем, содержащих только нанодисперсный алюминий марки ALEX. Одновременно существенно снижается содержание конденсированных веществ в продуктах сгорания и повышается полнота сгорания алюминия. Отметим, что полнота сгорания алюминия в системах, содержащих смесь порошков алюминия марок АСД и ALEX в соотношении 2/3, практически равна полноте сгорания порошка ALEX. Полученные закономерности наблюдаются и для систем, содержащих 10 мас.% металлического горючего (таблица 5).
Таблица 1 | |||
Характеристики топлив на основе смешанного окислителя (нитрат аммония-нитрамин) и активного горючего-связующего, содержащих 16 мас.% алюминия при α=0.545 | |||
АСД/ALEX, мас.% | u, мм/с | z, мас.% | В, мас.% |
100/0 | 1.10±0.04 | 2.80±0.02 | 18.5 |
90/10 | 1.20±0.04 | - | - |
80/20 | 1.40±0.04 | 2.31±0.03 | 15.5 |
60/40 | 1.39±0.04 | 2.05±0.03 | 14.1 |
50/50 | 1.39±0.03 | 1.92±0.03 | 12.2 |
45/55 | 1.39±0.04 | - | - |
41/59 | 1.59±0.04 | 0.73±0.02 | 5.1 |
40/60 | 1.60±0.04 | 0.74±0.02 | 5.2 |
38/62 | 1.60±0.04 | 0.74±0.02 | 5.2 |
36/64 | 1.69±0.04 | - | - |
35/65 | 1.60±0.04 | 0.75±0.02 | 5.3 |
20/80 | 1.60±0.04 | - | - |
10/90 | 1.62±0.04 | - | - |
0/100 | 1.65±0.04 | 0.28±0.02 | 4.1 |
Таблица 2 | |||
Характеристики топлив на основе активного горючего-связующего, содержащих 20 мас.% алюминия при α=0.545 | |||
АСД/ALEX, мас.% | u, мм/с | z, мас.% | В, мас.% |
100/0 | 1.01±0.06 | 3.90±0.02 | 20.5 |
60/40 | 1.21±0.07 | 2.80±0.02 | 15.4 |
50/50 | 1.66±0.07 | 2.20±0.02 | 12.2 |
40/60 | 1.78±0.05 | 1.30±0.02 | 5.5 |
15/85 | 1.78±0.05 | 1.20±0.05 | 5.3 |
0/100 | 1.82±0.05 | 0.90±0.02 | 4.9 |
Таблица 3 | |||
Характеристики топлив на основе нитрата аммония и активного горючего-связующего, содержащих 15 мас.% алюминия при α=0.50 | |||
АСД/ALEX, мас.% | u, мм/с | z, мас.% | В, мас.% |
100/0 | 0.32±0.02 | 18.6±0.1 | 15.2 |
50/50 | 0.38±0.02 | 16.0±0.1 | 10.1 |
40/60 | 0.56±0.02 | 12.3±0.1 | 5.8 |
0/100 | 0.58±0.02 | 12.0±0.1 | 5.0 |
Таблица 4 | |||
Характеристики топлив на основе перхлората аммония и инертного горючего-связующего, содержащих 25 мас.% алюминия при α=0.50 | |||
АСД/ALEX, мас.% | u, мм/с | z, мас.% | 5, мас.% |
100/0 | 0.43±0.02 | 22.1±0.2 | 18.0 |
50/50 | 0.56±0.02 | 20.8±0.2 | 12.3 |
40/60 | 0.68±0.02 | 17.5±0.2 | 7.0 |
0/100 | 0.70±0.02 | 17.3±0.2 | 7.3 |
Таблица 5 | |||
Характеристики топлив на основе перхлората аммония и инертного горючего-связующего, содержащих 10 мас.% алюминия при α=0.50 | |||
АСД/ALEX, мас.% | u, мм/с | z, мас.% | В, мас.% |
100/0 | Не горит | - | - |
40/60 | 0.23±0.02 | 15.0±0.1 | 5.5 |
0/100 | 0.25±0.02 | 14.5±0.1 | 5.0 |
Таким образом, предлагаемый способ получения смесевого твердого топлива с металлическим горючим позволяет разрабатывать топливные композиции, содержащие различные окислители и горючие-связующие. Данные композиции не уступают по уровню скорости горения композициям, содержащим только нанодисперсный алюминий при прочих равных условиях. Снижение содержания ALEX в бидисперсном металлическом горючем улучшает реологические характеристики топливной массы, что позволяет реализовать предлагаемый способ без изменения технологического цикла и оборудования для получения смесевых твердых топлив, а также существенно снизить себестоимость изготовления смесевых металлизированных твердых топлив.
ЛИТЕРАТУРА
1. Энергетические конденсированные системы: Краткий энциклопедический словарь / Под ред. Б.П.Жукова. - М.: Янус-К, 2000.
2. Порошок алюминиевый высокодисперсный АСД-1, АСД-4, АСД-6: Технические условия 48-5-226-87. ООО “СУАЛ-ПМ”, г.Шелехов, 1987.
3. Архипов В.А., Бондарчук С.С., Коротких А.Г., Лернер М.И. Технология получения и дисперсные характеристики нанопорошков алюминия // Горный журнал - Цветные металлы (Специальный выпуск). 2006, №4. - С.58-64.
4. Архипов В.А., Попок В.Н., Попок Н.И., Савельева Л.А. Горение металлизированных топливных композиций на основе нитрата аммония // V Международная школа-семинар “Внутрикамерные процессы, горение и газовая динамика дисперсных систем”. Санкт-Петербург, 2006. - С.10-13.
5. ДеЛука Л.Т., Галфетти Л., Северини Ф. и др. Горение смесевых твердых топлив с наноразмерным алюминием // Физика горения и взрыва. 2005. Т.41, №6. - С.80-94.
6. Попенко Е.М., Громов А.А., Шамина Ю.Ю. и др. Влияние добавок сверхтонких порошков алюминия на реологические свойства и скорость горения энергетических конденсированных систем // Физика горения и взрыва. 2007. Т.43, №1. - С.54-59.
7. Архипов В.А., Ворожцов А.Б., Певченко Б.В. и др. Твердотопливная композиция на основе нитрата аммония. Патент РФ на изобретение №2363691 по заявке №2007141120 с приоритетом от 06.11.2007.
8. Милехин Ю.М., Ларионов Б.И., Пардянов Н.Н. и др. Технико-экономические исследования по разработке твердых ракетных топлив пониженной стоимости и повышенной экологической безопасности для маршевых двигательных установок и твердотопливных ускорителей ракетно-космических комплексов // Известия РАРАН. 2004, №2 (39). - С.82-87.
9. Ген М.Я., Фролов Ю.В., Сторожев В.Б. О горении субдисперсного алюминия // Физика горения и взрыва. 1978. Т.14, №5. - С.153-155.
10. Корешков А.П. Основы аналитической химии. Количественный анализ. - М.: Химия, 1976.
Claims (3)
1. Способ получения смесевого твердого топлива с металлическим горючим, включающий механическое перемешивание окислителя, горючего-связующего, металлического горючего и технологических добавок, отличающийся тем, что в качестве металлического горючего используют бидисперсную смесь порошка алюминия микронных размеров и нанопорошка алюминия в соотношении 40/60 мас.%, которую перемешивают до осредненного состояния и вводят в количестве 10-25 мас.% в полностью перемешанную смесь окислителя, горючего-связующего и технологических добавок, полученную топливную массу дополнительно перемешивают в течение не менее 30 мин, а затем вакуумируют в течение не менее 30 мин.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве окислителя используют перхлорат аммония или нитрат аммония или смешанный окислитель, включающий нитрат аммония и нитрамин.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве горючего-связующего используют каучуки, пластифицированные трансформаторным маслом или нитросодержащими соединениями.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010130760/05A RU2474567C2 (ru) | 2010-07-21 | 2010-07-21 | Способ получения смесевого твердого топлива с металлическим горючим |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010130760/05A RU2474567C2 (ru) | 2010-07-21 | 2010-07-21 | Способ получения смесевого твердого топлива с металлическим горючим |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2010130760A RU2010130760A (ru) | 2012-01-27 |
RU2474567C2 true RU2474567C2 (ru) | 2013-02-10 |
Family
ID=45786290
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010130760/05A RU2474567C2 (ru) | 2010-07-21 | 2010-07-21 | Способ получения смесевого твердого топлива с металлическим горючим |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2474567C2 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2580735C2 (ru) * | 2014-09-09 | 2016-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | Твердотопливная металлизированная композиция на основе нитрата аммония |
RU2601760C1 (ru) * | 2015-07-07 | 2016-11-10 | Акционерное общество "Федеральный научно-производственный центр "Алтай" | Твердое горючее |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3779826A (en) * | 1960-12-02 | 1973-12-18 | Atlantic Res Corp | Nitrocellulose propellent compositions containing inorganic oxidizing agents with aluminum |
US4655859A (en) * | 1980-05-21 | 1987-04-07 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Azido-based propellants |
US6805760B1 (en) * | 2001-05-29 | 2004-10-19 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of Navy | High energy propellant with reduced pollution |
RU2363691C1 (ru) * | 2007-11-06 | 2009-08-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет (ТГУ) | Твердотопливная композиция на основе нитрата аммония |
WO2010061127A2 (fr) * | 2008-11-25 | 2010-06-03 | Snpe Materiaux Energetiques | Composition composite pour propergol solide comprenant un derive ferrocenique et une charge d'aluminium submicronique, propergol solide et chargement |
RU2008148783A (ru) * | 2008-12-10 | 2010-06-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет (ТГУ) (RU) | Способ получения смесевого твердого топлива |
-
2010
- 2010-07-21 RU RU2010130760/05A patent/RU2474567C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3779826A (en) * | 1960-12-02 | 1973-12-18 | Atlantic Res Corp | Nitrocellulose propellent compositions containing inorganic oxidizing agents with aluminum |
US4655859A (en) * | 1980-05-21 | 1987-04-07 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Azido-based propellants |
US6805760B1 (en) * | 2001-05-29 | 2004-10-19 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of Navy | High energy propellant with reduced pollution |
RU2363691C1 (ru) * | 2007-11-06 | 2009-08-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет (ТГУ) | Твердотопливная композиция на основе нитрата аммония |
WO2010061127A2 (fr) * | 2008-11-25 | 2010-06-03 | Snpe Materiaux Energetiques | Composition composite pour propergol solide comprenant un derive ferrocenique et une charge d'aluminium submicronique, propergol solide et chargement |
RU2008148783A (ru) * | 2008-12-10 | 2010-06-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет (ТГУ) (RU) | Способ получения смесевого твердого топлива |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2580735C2 (ru) * | 2014-09-09 | 2016-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | Твердотопливная металлизированная композиция на основе нитрата аммония |
RU2601760C1 (ru) * | 2015-07-07 | 2016-11-10 | Акционерное общество "Федеральный научно-производственный центр "Алтай" | Твердое горючее |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2010130760A (ru) | 2012-01-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Zarko et al. | Energetic nanomaterials: Synthesis, characterization, and application | |
Guo et al. | Compatibility and thermal decomposition mechanism of nitrocellulose/Cr 2 O 3 nanoparticles studied using DSC and TG-FTIR | |
Pang et al. | Boron-based composite energetic materials (B-CEMs): Preparation, combustion and applications | |
Zhi et al. | Research on the combustion properties of propellants with low content of nano metal powders | |
Ma et al. | Energetic composites based on nano-Al and energetic coordination polymers (ECPs): The “father-son” effect of ECPs | |
Singh et al. | Studies of energetic compounds, part 29: effect of NTO and its salts on the combustion and condensed phase thermolysis of composite solid propellants, HTPB-AP | |
Deng et al. | Tuning the morphological, ignition and combustion properties of micron-Al/CuO thermites through different synthesis approaches | |
Swanepoel et al. | Manganese as fuel in slow‐burning pyrotechnic time delay compositions | |
Gromov et al. | Nanometals in energetic systems: achievements and future | |
De Luca et al. | Characterization and combustion of aluminum nanopowders in energetic systems | |
Sergienko et al. | Burning characteristics of the HMX/CL‐20/AP/polyvinyltetrazole binder/Al solid propellants loaded with nanometals | |
Gunda et al. | Layered magnesium diboride and its derivatives as potential catalytic and energetic additives for tuning the exothermicity of ammonium perchlorate | |
RU2474567C2 (ru) | Способ получения смесевого твердого топлива с металлическим горючим | |
Yu et al. | Nickel acetylacetonate as decomposition catalyst for HTPB-based fuels: Regression rate enhancement effects | |
Jain et al. | Burning rate and other characteristics of strontium titanate (SrTiO3) supplemented AP/HTPB/Al composite propellants | |
RU2363691C1 (ru) | Твердотопливная композиция на основе нитрата аммония | |
RU2389714C1 (ru) | Низкотемпературное твердое топливо | |
RU2429282C2 (ru) | Способ получения смесевого твердого топлива | |
Cheng et al. | The effect of the energetic additive coated MgH2 on the power of emulsion explosives sensitized by glass microballoons | |
Whittaker et al. | Boride-based materials for energetic applications | |
Korotkikh et al. | Study of the chemical activity of metal powders based on aluminum, boron and titanium | |
Kalombo et al. | Sb6O13 and Bi2O3 as oxidants for Si in pyrotechnic time delay compositions | |
RU2547476C2 (ru) | Ракетное топливо (варианты) | |
Gromov et al. | Nanometals: synthesis and application in energetic systems | |
RU2415906C2 (ru) | Способ получения металлизированного твердого топлива |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190722 |