RU2582712C2 - Ракетное топливо /варианты/ - Google Patents
Ракетное топливо /варианты/ Download PDFInfo
- Publication number
- RU2582712C2 RU2582712C2 RU2014119365/05A RU2014119365A RU2582712C2 RU 2582712 C2 RU2582712 C2 RU 2582712C2 RU 2014119365/05 A RU2014119365/05 A RU 2014119365/05A RU 2014119365 A RU2014119365 A RU 2014119365A RU 2582712 C2 RU2582712 C2 RU 2582712C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- boron
- beryllium
- fuel
- reaction
- hydrogen
- Prior art date
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C06—EXPLOSIVES; MATCHES
- C06B—EXPLOSIVES OR THERMIC COMPOSITIONS; MANUFACTURE THEREOF; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS EXPLOSIVES
- C06B47/00—Compositions in which the components are separately stored until the moment of burning or explosion, e.g. "Sprengel"-type explosives; Suspensions of solid component in a normally non-explosive liquid phase, including a thickened aqueous phase
- C06B47/02—Compositions in which the components are separately stored until the moment of burning or explosion, e.g. "Sprengel"-type explosives; Suspensions of solid component in a normally non-explosive liquid phase, including a thickened aqueous phase the components comprising a binary propellant
- C06B47/10—Compositions in which the components are separately stored until the moment of burning or explosion, e.g. "Sprengel"-type explosives; Suspensions of solid component in a normally non-explosive liquid phase, including a thickened aqueous phase the components comprising a binary propellant a component containing free boron, an organic borane or a binary compound of boron, except with oxygen
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C06—EXPLOSIVES; MATCHES
- C06B—EXPLOSIVES OR THERMIC COMPOSITIONS; MANUFACTURE THEREOF; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS EXPLOSIVES
- C06B27/00—Compositions containing a metal, boron, silicon, selenium or tellurium or mixtures, intercompounds or hydrides thereof, and hydrocarbons or halogenated hydrocarbons
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C06—EXPLOSIVES; MATCHES
- C06B—EXPLOSIVES OR THERMIC COMPOSITIONS; MANUFACTURE THEREOF; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS EXPLOSIVES
- C06B31/00—Compositions containing an inorganic nitrogen-oxygen salt
- C06B31/28—Compositions containing an inorganic nitrogen-oxygen salt the salt being ammonium nitrate
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C06—EXPLOSIVES; MATCHES
- C06D—MEANS FOR GENERATING SMOKE OR MIST; GAS-ATTACK COMPOSITIONS; GENERATION OF GAS FOR BLASTING OR PROPULSION (CHEMICAL PART)
- C06D5/00—Generation of pressure gas, e.g. for blasting cartridges, starting cartridges, rockets
- C06D5/06—Generation of pressure gas, e.g. for blasting cartridges, starting cartridges, rockets by reaction of two or more solids
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Solid Fuels And Fuel-Associated Substances (AREA)
- Catalysts (AREA)
Abstract
Изобретение относится к ракетным топливам. Рассмотрены варианты ракетных топлив, включающие нитрат аммония или динитрамид аммония в комбинациях с дибораном, тетрабораном, боргидридом бериллия, гидридом бериллия и бором. Бор экзотермически реагирует с азотом и увеличивает энергетику реакции. Соединения бора, например, бораны, боргидриды, кроме того, еще дают большое количество водорода. Изобретение обеспечивает повышение скорости реактивной струи. 11 н.п. ф-лы.
Description
Изобретение относится к ракетным топливам (далее РТ), хотя бы один из компонентов которых (горючее, окислитель или однокомпонентное топливо) содержит связанный азот. Известны РТ, содержащие бор или некоторые соединения бора, см. патент US № 2328519. Однако в них бор используется только как горючее.
Скорость истечения газов зависит от скорости звука в сжатом газе, который образуется в объеме камеры сгорания (у твердотопливных двигателей таковой является весь объем двигателя). В той смеси газов, которая образуется при горении большинства РТ и при той температуре и давлении скорость звука обычно не превышает 1300 м/сек, и для ее повышения требуется расширяющееся реактивное сопло.
Между тем скорость звука в водороде даже при нормальных температуре и давлении 1330 м/сек. А если еще и немного повысить температуру водорода, скорость звука резко возрастет. Например, водород с температурой всего 650 градусов C (это ниже температуры его воспламенения) будет иметь скорость звука 2360 м/сек и сможет разогнать осколки до скорости 2200 м/сек. То есть получится «холодный двигатель», в результате которого после адиабатического расширения газ может иметь приблизительно температуру окружающей среды.
Кроме того, большинство РТ содержат связанный азот, который при горении выделяется и в свободном виде. Его можно заставить экзотермически реагировать с целью повышения тепловыделения взрыва с мелкодисперсным (желательно, наноразмеров) бором или его горючими соединениями.
На этом и основана идея данного изобретения. Задача и технический результат изобретения - повышение скорости реактивной струи. Не только за счет повышения энергетики реакции, но и за счет получения выделяющихся газов с малым средним молекулярным весом - водорода и воды. Свободный азот и особенно «тяжелый» CO2 нежелательны.
СПОСОБ. То есть суть изобретения в том, что к азотосодержащим РТ добавляется мелкодисперсный бор или его горючие соединения, желательно - с водородом, а реакция организуется так, чтобы выделялся преимущественно водород.
Упомянутыми соединениями могут быть бораны (гидриды бора), боргидриды, бориды, карбид бора.
Например, в любое РТ добавляется мелкодисперсный бор. При температуре 800-1200 градусов C происходит реакция с азотом с образованием нитрида бора:
B+N=BN+252,6 кДж /1/
То есть на единицу добавленного бора получается добавочное тепловыделение 23,37 кДж/г. Такая добавка улучшит тепловыделение любого РТ.
Реакция образования нитрида бора лучше идет в присутствии восстановителей - угля, сажи, графита, графена, водорода. В реакции \3\ происходит участие углерода, поэтому в добавочных количествах восстановителя она не нуждается, в других же случаях рекомендуется добавлять мелкодисперсного угля, графита, сажи или графена в количестве 0,0001-1% (оптимально 0,01-0,1%). Присутствие водорода в продуктах реакции уменьшает или даже исключает потребность в углероде.
Естественно, что добавка бора составляет 1:1 к азоту по соотношению молекул ±20%.
РАКЕТНОЕ ТОПЛИВО. Ракетное топливо отличается от исходного тем, что выполнено по вышеуказанному способу, то есть имеет дополнительное количество бора в соотношении молекул 1:1 к азоту ±20%.
ПРИМЕРЫ. Рассмотрим добавку бора в виде тетраборана к азотсодержащему горючему, например к гидразину (аналогичный эффект будет при добавке тетраборана к несимметричному диметилгидразину). В качестве окислителя для простоты примера выберем сжиженный кислород:
2N2H4+2O2+B4H10=4H2O+2N2+B4H10=4BN+4H2O+5H2+1010,4 кДж /2/
Соотношение компонентов топлива: гидразина - 35,33%, кислорода - 35,28%, тетраборана - 29,39%, все ±10%. Причем добавка тетраборана составила 41,62% от исходного топлива (здесь и далее «масс.»).
Как видим, добавка тетраборана увеличила объем получившихся газов на 50% (9 молекул вместо 6) и увеличила тепловыделение на упомянутые 23,37 кДж на единицу (на 1 г) добавленного бора. Удельное тепловыделение несколько меньше, чем было бы у смеси исходного РТ с мелкодисперсным бором, но зато газов выделилось несколько больше (50% против добавки 41,62%), а самое главное - в выделившихся газах больше половины по объему - водород, все плюсы которого описаны выше.
Тетраборан может подаваться в камеру сгорания отдельно, а может храниться в одном баке с гидразином.
Рассмотрим добавку тетраборана в жидкое РТ, содержащее в качестве горючего керосин с усредненной упрощенной формулой СН2 (можно считать, что это этилен), а в качестве окислителя азотную кислоту или смесь азотной кислоты и пятиокиси азота (эффект от добавления тетраборана будет примерно одинаковый):
24CH2+20HNO3+5B4H10=24CO2+12H2O+20BN+25H2+5557,2 кДж /3/
Соотношение компонентов топлива: керосин (этилен) - 18,08%, азотная кислота - 67,62%, тетраборан - 14,30%, все ±10%. Причем добавка тетраборана составила 16,69% от исходного топлива, а выделившихся газов стало больше на 69,44% (61 молекула вместо 36). В этом примере использование добавки тетраборана дало еще лучший результат - газовыделение увеличилось значительно (69,44% против добавки 16,69%).
В твердотопливном или гибридном вариантах данное боросодержащее РТ с окислителем, содержащим связанный азот, покажет хорошие результаты, если и горючее, и окислитель содержат связанный водород:
NH4NO3+B4H10=B2O3+2BN+7H2 /4/
Соотношение компонентов: нитрата аммония (безводного) - 69,25%, тетраборана 30,75, все ±10%.
Еще большую энергетику реакции можно получить, применив в гибридном двигателе диборан вместо тетраборана, и бериллий или гидрид бериллия для реакции с нитратом аммония:
NH4NO3+3Be+B2H6=3BeO+2BN+5H2+1972,3 кДж /5/
То есть тепловыделение реакции достаточно большое - 14,64 мДж/кг. Соотношение компонентов: нитрата аммония (безводного) - 59,40%, бериллия - 20,06%, и диборана - 20,54%, все ±15%. Чтобы смесь не взорвалась, она может быть размещена в корпусе двигателя раздельно - секторами или продольными или поперечными слоями.
Если вместо бериллия взять гидрид бериллия, то тепловыделение будет 13,57 мДж/кг, но зато выделится 8 молекул водорода вместо 5:
NH4NO3+3BeH2+B2H6=3BeO+2BN+8H2+1910,8 кДж /6/
Соотношение нитрата аммония, гидрида бериллия, диборана=56,85:23,50:19,65, все ±15%.
Эта реакция практически адекватна следующей реакции только с твердыми компонентами, что удобнее при производстве твердых РТ:
NH4NO3+2BeH2+Be(BH4)2=3BeO+2BN+8H2+1912,8 кДж /7/
Соотношение: нитрата аммония, гидрида бериллия, боргидрида бериллия - 56,85:15,67:27,48, все ±15%. Тепловыделение - 13,57 кДж/г.
В качестве твердого соединения бора можно также использовать декаборан В10Н14 (его реакция похожа на реакции /3/, и потому не приводится).
Может пойти побочная реакция образования воды из водорода, но при таких температурах гидрид бериллия или сам бериллий будут реагировать с водяными парами и разлагать воду обратно до водорода.
Может пойти побочная реакция образования оксида бора, но в присутствии вышеназванных восстановителей он будет реагировать с азотом с образованием нитрида бора.
Если взять чистый бор и чистый бериллий, то возможно еще большее тепловыделение реакции, но с меньшим выделением водорода:
NH4NO3+3Be+2B=3BeO+2H2+6BN+1972,3 кДж /8/
Удельное тепловыделение 15,03 мДж/кг, но выделение водорода - всего две молекулы, то есть всего 3,13% по весу. Ожидается большой температурный эффект реакции. Соотношение компонентов: нитрат аммония - 62,20%, бериллий - 21,00%, бор - 16,80%, все ±15%.
В твердотопливном или гибридном вариантах данное боросодержащее РТ с окислителем - динитрамидом аммония (далее - ДНА) покажет еще более высокие результаты.
Покажем некоторые из этих реакций, включая реакцию, где горючим изначально предполагался бор:
3NH4N(NO2)2+8B+12B=4B2O3+12BN+6H2 /9/
Здесь соотношение компонентов: ДНА - 63,26+-15%, бор - 36,74±15%. Надпись «8В+12В» означает, что 8 атомов бора содержит исходное топливо, и они реагируют с кислородом, а 12 атомов бора реагируют с азотом.
В гибридном двигателе возможна реакция с жидким тетрабораном:
NH4N(NO2)2+B4H10=4BN+4H2O+3H2 /10/
Здесь соотношение компонентов: ДНА - 69,94±15%, тетраборан - 30,06±15%.
Следующая реакция также предназначена для гибридного двигателя:
NH4N(NO2)2+2Be+2B2H6=4BN+2BeO+2H2O+6H2 /11/
Здесь соотношение компонентов: ДНА - 62,84±15%, бериллия - 9,13±9%, диборан - 28,03±15%.
Хорошие показателя будут в реакциях с боргидридом бериллия, покажем две из них:
4NH4N(NO2)2+Be(BH4)2+16B=16BN+BeO+B2O3+12H2O /12/
Здесь соотношение компонентов: ДНА - 70,1±15%, боргидрид бериллия - 5,47±5%, бора - 24,43+-15%. И вторая реакция:
NH4N(NO2)2+2Be(BH4)2=4BN+2BeO+2H2O+8H2 /13/
Здесь соотношение компонентов: ДНА - 61,58±15%, боргидрид бериллия - 38,42±15%. В выделившихся газах 80% по объему водорода.
Если к этому топливу добавить 2 молекулы гидрида бериллия, то будет:
NH4N(NO2)2+2Be(BH4)2+2BeH2=4BN+4BeO+12H2 /14/
Соотношение компонентов: ДНА - 55,50%±15%, боргидрида бериллия - 34,63%±10%, гидрида бериллия - 9,87%±5%.
Небольшое количество газа, к тому же - водяного пара, но хорошее тепловыделение будет у следующей реакции:
NH4N(NO2)2+2Be+4B=4BN+2BeO+2H2O /15/
Здесь соотношение компонентов: ДНА - 66,95±15%, бериллий - 9,72±9%, бор - 23,33±15%.
Возможны эти реакции с полным или частичным окислением получившегося водорода.
Данный способ и данные ракетные топлива позволят достичь более высоких показателей наших ракет всех типов.
Claims (11)
1. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение: нитрата аммония с тетрабораном в соотношении 69,25:30,75, все ±10%.
2. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение: нитрат аммония - 59,40±15%, бериллий - 20,06±15%, диборан - 20,54±15%.
3. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение: нитрат аммония - 56,85±15%, гидрид бериллия - 23,50±15%, и диборан - 19,65 ±15%.
4. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение: нитрат аммония, гидрид бериллия, боргидрид бериллия - 56,85:15,67:27,48, все ±15%.
5. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение: нитрат аммония - 62,20±15%, бериллий - 21,00±15%, и бор - 16,80±15%.
6. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение: динитрамид аммония (далее ДНА) - 63,26 ±15%, бор - 36,74 ±15%.
7. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение: ДНА - 69,94±15%, тетраборан - 30,06±15%.
8. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение: ДНА - 62,84±15%, бериллий - 9,13±9%, диборан - 28,03±15%.
9. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение: ДНА - 70,1±15%, боргидрид бериллия - 5,47±5%, бор - 24,43±15%.
10. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение: ДНА - 61,58±15%, боргидрид бериллия - 38,42±15%.
11. Ракетное топливо, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение: ДНА - 66,95±45%, бериллий - 9,72±9%, бор - 23,33±15%.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014119365/05A RU2582712C2 (ru) | 2014-05-13 | 2014-05-13 | Ракетное топливо /варианты/ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014119365/05A RU2582712C2 (ru) | 2014-05-13 | 2014-05-13 | Ракетное топливо /варианты/ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2014119365A RU2014119365A (ru) | 2015-11-20 |
| RU2582712C2 true RU2582712C2 (ru) | 2016-04-27 |
Family
ID=54553014
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014119365/05A RU2582712C2 (ru) | 2014-05-13 | 2014-05-13 | Ракетное топливо /варианты/ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2582712C2 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3939952A1 (de) | 2020-07-17 | 2022-01-19 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Schnellbrennender festtreibstoff mit einem oxidator, einem energetischen binder und einem metallischen abbrandmodifikator sowie verfahren zu dessen herstellung |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3247034A (en) * | 1964-04-06 | 1966-04-19 | Dal Mon Research Co | Polymeric high energy boron fuel compositions |
| US3309248A (en) * | 1962-01-24 | 1967-03-14 | Dow Chemical Co | Solid propellants containing hydrazonium azide and boron compounds |
| US3551224A (en) * | 1962-09-10 | 1970-12-29 | Us Army | Nitrated cellulose rocket propellants with amino fluorine containing plasticizer |
| US3552127A (en) * | 1964-08-25 | 1971-01-05 | Jacque C Morrell | Composite high energy rocket propellants and process for same |
| US3577289A (en) * | 1968-02-12 | 1971-05-04 | Jacque C Morrell | Composite high energy solid rocket propellants and process for same |
| RU2182163C2 (ru) * | 1995-06-07 | 2002-05-10 | Уильям К. Орр | Состав топлива |
| RU2486230C1 (ru) * | 2012-07-04 | 2013-06-27 | Николай Евгеньевич Староверов | Горючее ракетное топливо (варианты) и способ его приготовления |
-
2014
- 2014-05-13 RU RU2014119365/05A patent/RU2582712C2/ru active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3309248A (en) * | 1962-01-24 | 1967-03-14 | Dow Chemical Co | Solid propellants containing hydrazonium azide and boron compounds |
| US3551224A (en) * | 1962-09-10 | 1970-12-29 | Us Army | Nitrated cellulose rocket propellants with amino fluorine containing plasticizer |
| US3247034A (en) * | 1964-04-06 | 1966-04-19 | Dal Mon Research Co | Polymeric high energy boron fuel compositions |
| US3552127A (en) * | 1964-08-25 | 1971-01-05 | Jacque C Morrell | Composite high energy rocket propellants and process for same |
| US3577289A (en) * | 1968-02-12 | 1971-05-04 | Jacque C Morrell | Composite high energy solid rocket propellants and process for same |
| RU2182163C2 (ru) * | 1995-06-07 | 2002-05-10 | Уильям К. Орр | Состав топлива |
| RU2486230C1 (ru) * | 2012-07-04 | 2013-06-27 | Николай Евгеньевич Староверов | Горючее ракетное топливо (варианты) и способ его приготовления |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3939952A1 (de) | 2020-07-17 | 2022-01-19 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Schnellbrennender festtreibstoff mit einem oxidator, einem energetischen binder und einem metallischen abbrandmodifikator sowie verfahren zu dessen herstellung |
| DE102020118962A1 (de) | 2020-07-17 | 2022-01-20 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein | Schnellbrennender Festtreibstoff mit einem Oxidator, einem energetischen Binder und einem metallischen Abbrandmodifikator sowie Verfahren zu dessen Herstellung |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2014119365A (ru) | 2015-11-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| AU2009226379B2 (en) | Hydrogen generator, ammonia combustion internal combustion engine, and fuel cell | |
| Jeong et al. | Ultrafast igniting, low toxicity hypergolic hybrid solid fuels and hydrogen peroxide oxidizer | |
| RU2513848C2 (ru) | Способ улучшения взрывчатых веществ и взрывчатое вещество /варианты/ | |
| RU2486230C1 (ru) | Горючее ракетное топливо (варианты) и способ его приготовления | |
| RU2582712C2 (ru) | Ракетное топливо /варианты/ | |
| US4201553A (en) | Method of improving combustion of fuels and novel fuel compositions | |
| Karabeyoğlu | Performance additives for hybrid rockets | |
| RU2570444C1 (ru) | Ракетное топливо староверова - 19 /варианты/ | |
| RU2547476C2 (ru) | Ракетное топливо (варианты) | |
| RU2516711C1 (ru) | Ракетное топливо староверова - 15 (варианты) | |
| RU2570022C1 (ru) | Способ улучшения ракетных топлив и ракетное топливо /варианты/ | |
| RU2555870C1 (ru) | Ракетное топливо староверова-21 /варианты/ | |
| Li et al. | Ignition and combustion behaviors of high energetic polyhedral boron cluster | |
| RU2570012C1 (ru) | Ракетное топливо староверова - 3 /варианты/ | |
| RU2576857C2 (ru) | Ракетное топливо староверова-18 /варианты/ | |
| RU2572887C1 (ru) | Ракетное топливо староверова - 20 /варианты/ | |
| RU2572886C1 (ru) | Ракетное топливо староверова - 17 /варианты/ | |
| RU2555872C1 (ru) | Взрывчатое вещество староверова-21 /варианты/ | |
| RU2521429C2 (ru) | Ракетный двигатель староверова-10 | |
| Jadhav et al. | Ammonium Dodecahydrododecaborate (NH4) 2 [B12H12]: Hydrogen and Boron Rich Fuel for Jet Propulsion Engines | |
| RU2570020C1 (ru) | Способ улучшения взрывчатых веществ и взрывчатое вещество /варианты/ | |
| RU2523367C2 (ru) | Ракетное горючее | |
| RU2564284C1 (ru) | Способ улучшения порохов и порох | |
| RU2513850C2 (ru) | Ракетное топливо | |
| RU2570910C2 (ru) | Ракетный двигатель староверова -9 /варианты/ |