RU2601760C1

RU2601760C1 - Solid fuel

Info

Publication number: RU2601760C1
Application number: RU2015127350/05A
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Жарков; Владимир Алексеевич Шандаков; Леонид Александрович Пилюгин; Александр Алексеевич Казаков; Михаил Васильевич Шатный; Владимир Иванович Гребенкин
Original assignee: Акционерное общество "Федеральный научно-производственный центр "Алтай"
Priority date: 2015-07-07
Filing date: 2015-07-07
Publication date: 2016-11-10

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention relates to applied chemistry, specifically to solid fuel for ramjet engines of rocket projectiles. Solid fuel contains organic combustible binder, ultrafine powder of high-energy metal and carborane and/or phenyl carborane. Combustible binder in solid fuel is a mixture of epoxy resin, dibutylphthalate, curing agent and diamine diaoleate in certain ratio of components.

EFFECT: composition of solid fuel ensures preservation of integrity of gas-generating elements made therefrom under conditions of high overloads of rocket projectiles during shooting from gun and its operation by improving mechanical properties of solid fuel with simultaneous high power and other characteristics.

4 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к прикладной химии, а именно к твердым горючим (ТГ) для прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД) активно-реактивных снарядов (АРС).The invention relates to applied chemistry, namely to solid fuels (TG) for ramjet engines (ramjet) of active rockets (ARS).

Особенность твердых горючих для таких устройств заключается в том, что помимо высокого уровня энергетических характеристик (объемной и массовой удельных теплот сгорания) они должны обладать высоким уровнем прочности и низкой деформативностью, обеспечивающими целостность изготовленных из него газогенерирующих элементов (ГГЭ) в условиях больших перегрузок, действующих на АРС при выстреле из орудия и его работе.A feature of solid fuels for such devices is that in addition to a high level of energy characteristics (volumetric and mass specific heat of combustion) they must have a high level of strength and low deformability, ensuring the integrity of the gas generating elements (HGE) made from it under conditions of high overloads operating on ARS when fired from a gun and its operation.

Известен ряд ТГ для ПВРД: патент США №6736912, патент США №3986909, каждое из которых содержит органическое горючее-связующее и ультрадисперсный порошок высокоэнергетического металла.A number of TGs for ramjet are known: US patent No. 6736912, US patent No. 3986909, each of which contains an organic fuel-binder and ultrafine powder of high-energy metal.

Основным недостатком указанных аналогов являются относительно низкий уровень энергетических характеристик. Это ведет к низким величинам скорости и дальности полета активно-реактивных снарядов с использованием таких ТГ и в конечном итоге к отсутствию или низкой эффективности таких снарядов при поражении заданной цели.The main disadvantage of these analogues is the relatively low level of energy characteristics. This leads to low values of the speed and range of active rockets using such TGs and, ultimately, to the absence or low efficiency of such shells when hitting a given target.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является ТГ по патенту РФ №2288207 (опубл. 27.11.2006 г), принятое за прототип, содержащее органическое горючее-связующее, ультрадисперсный порошок высокоэнергетического металла и карборан или фенилкарборан.Closest to the proposed invention is TG according to the patent of the Russian Federation No. 2288207 (publ. November 27, 2006), taken as a prototype containing organic fuel-binding, ultrafine powder of high-energy metal and carboran or phenylcarboran.

Данное ТГ по сравнению с другими аналогами имеет преимущество: более высокий уровень энергетических характеристик. Однако оно имеет низкую прочность и высокую деформативность. При таких механических характеристиках ТГ в условиях указанных выше перегрузок АРС могут разрушаться изготовленные из твердого горючего ГГЭ, что приводит к аномальности работы ПВРД активно-реактивных снарядов или их разрыву.This TG in comparison with other analogues has an advantage: a higher level of energy characteristics. However, it has low strength and high deformability. With such mechanical characteristics of TG under the conditions of the aforementioned APC overloads, those made of solid combustible HGE can be destroyed, which leads to anomalous operation of ramjet reactive rockets or their rupture.

Задачей предлагаемого изобретения является создание ТГ, обеспечивающего сохранение целостности изготовленных из него ГГЭ в условиях больших перегрузок АРС при выстреле из орудия и его работе путем улучшения механических характеристик ТГ при одновременном сохранении достоинств в части энергетических и других характеристик на уровне прототипа.The objective of the invention is the creation of a TG that ensures the integrity of the HGE made from it under conditions of high APC overloads when fired from a gun and its operation by improving the mechanical characteristics of the TG while maintaining advantages in terms of energy and other characteristics at the prototype level.

Поставленная задача решается предлагаемым твердым горючим, которое содержит органическое горючее-связующее, ультрадисперсный порошок высокоэнергетического металла, карборан и/или фенилкарборан. Особенность заключается в том, что в качестве горючего-связующего оно содержит смесь эпоксидной смолы, дибутилфталата, отвердителя и диаминдиолеата при следующем соотношении компонентов, мас. %:The problem is solved by the proposed solid fuel, which contains an organic fuel-binder, ultrafine powder of high-energy metal, carboran and / or phenylcarboran. The peculiarity lies in the fact that as a combustible binder it contains a mixture of epoxy resin, dibutyl phthalate, hardener and diamine dioleate in the following ratio of components, wt. %:

эпоксидная смолаepoxy resin 14-3914-39 дибутилфталатdibutyl phthalate 0,5-50.5-5 отвердительhardener 1,4-41.4-4 диаминдиолеатdiamine dioleate 0,1-0,70.1-0.7 карборан и/или фенилкарборанcarboran and / or phenylcarboran 0,1-200.1-20 ультрадисперсный порошокultrafine powder высокоэнергетического металлаhigh energy metal остальноеrest

В частности, твердое горючее в качестве отвердителя содержит полиэтиленполиамин или триэтаноламин.In particular, solid fuel as a hardener contains polyethylene polyamine or triethanolamine.

В частности, твердое горючее в качестве ультрадисперсного порошка высокоэнергетического металла содержит порошок бора, алюминия, магния, или высокодисперсный порошок лигатуры бора, или их смесь в любом сочетании.In particular, solid fuel as an ultrafine powder of high-energy metal contains boron, aluminum, magnesium powder, or a fine powder of boron ligature, or a mixture thereof in any combination.

В частности, ультрадисперсный порошок высокоэнергетического металла дополнительно содержит порошок циркония.In particular, the ultrafine powder of high energy metal further comprises zirconium powder.

Эпоксидная смола в смеси с пластификатором - дибутилфталатом (ДБФ), отвердителем (полиэтиленполиамином или триэтаноламином) и поверхностно-активным веществом (ПАВ) - диаминдиолеатом (имеющим техническое название "катионат-7") в составе ТГ является горючим-связующим. Эти компоненты обеспечивают, в основном, уровень технологических и механических характеристик ТГ и в сравнительно меньшей мере определяют его энергетические характеристики. Карборан или фенилкарборан и ультрадисперсные порошки высокоэнергетических металлов: бора, алюминия, магния, лигатур бора, циркония и их смеси в основном обеспечивают уровень энергетических характеристик ТГ.An epoxy resin mixed with a plasticizer - dibutyl phthalate (DBP), a hardener (polyethylene polyamine or triethanolamine) and a surface-active substance (surfactant) - diamine dioleate (having the technical name "cationate-7") in the composition of the TG is a combustible binder. These components provide, basically, the level of technological and mechanical characteristics of the TG and to a relatively lesser extent determine its energy characteristics. Carboran or phenylcarboran and ultrafine powders of high-energy metals: boron, aluminum, magnesium, boron ligatures, zirconium and their mixtures mainly provide the level of energy characteristics of TG.

Технология приготовления заявляемого ТГ и изготовления из него ГГЭ использует применяемые в технике способы и оборудование. Она включает следующие основные операции: смешение смеси эпоксидной смолы, пластификатора, ПАВ и отвердителя, порционное последовательное введение в смесь ультрадисперсного порошка высокоэнергетического металла и карборана или фенилкарборана со смешением каждой порции вводимых порошков с предыдущей смесью, формование изделия из смешанной и отвакуумированной массы в технологическую оснастку или корпус АРС методом литья под небольшим давлением или методом свободного литья, отверждение изделия в технологической оснастке или корпусе при температуре не более температуры начала разложения состава ТГ и выпрессовку изделия из оснастки.The preparation technology of the claimed TG and the manufacture of HGE from it uses the methods and equipment used in the technique. It includes the following main operations: mixing a mixture of epoxy resin, plasticizer, surfactant and hardener, sequential sequential introduction of a mixture of ultrafine powder of high-energy metal and carborane or phenylcarborane with a mixture of each portion of the introduced powders with the previous mixture, molding the product from a mixed and evacuated mass into technological equipment or APC case by low pressure casting or free casting, curing the product in a tooling or case at a temperature not exceeding the temperature at which decomposition of the TG composition begins and the product is pressed out of the tooling.

Оптимальные температура и время смешения массы и температурно-временные режимы отверждения зависят от качества компонентов, объема смешиваемой массы и вида смесителя, массы и размера изделия и подбираются опытным путем для каждого вида изделия.The optimum temperature and time of mixing the mass and the temperature-time curing conditions depend on the quality of the components, the volume of the mixed mass and the type of mixer, the mass and size of the product and are selected empirically for each type of product.

В Таблице приведены характеристики заявляемой композиции ТГ для различного процентного содержания компонентов в сравнении с прототипом.The table shows the characteristics of the claimed composition TG for various percentages of components in comparison with the prototype.

Составы ТГ №2-7 показали оптимальные результаты. Эти составы при использовании всех рассмотренных компонентов и при всех соотношениях между ними имеют энергетические характеристики не ниже уровня этих характеристик прототипа (Таблица). При этом они по сравнению с прототипом имеют существенно более высокий уровень прочности (в 5-6 раз по сравнению с максимальной прочностью прототипа) и значительно меньший верхний предел относительной деформации (примерно в 6-12 раз).The compositions of TG No. 2-7 showed optimal results. These compositions, when using all the considered components and with all the ratios between them, have energy characteristics not lower than the level of these characteristics of the prototype (Table). Moreover, they are compared with the prototype have a significantly higher level of strength (5-6 times compared with the maximum strength of the prototype) and a significantly lower upper limit of relative deformation (about 6-12 times).

Уменьшение содержания эпоксидной смолы в составе ТГ менее 14%, несмотря на одновременное максимальное увеличение содержаний пластификатора смолы - ДБФ (более 5%) и поверхностно-активного вещества - диаминдиолеата (более 0,7%), при максимальном снижении содержания отвердителя (менее 1,4%) ведет к существенному ухудшению технологических свойств (прежде всего к значительному повышению вязкости) смешиваемой массы ТГ и невозможности изготовления из нее изделий по указанным технологиям.The decrease in the content of epoxy resin in the composition of TG is less than 14%, despite the simultaneous maximum increase in the content of resin plasticizer - DBP (more than 5%) and the surfactant - diamine dioleate (more than 0.7%), with a maximum decrease in the content of hardener (less than 1, 4%) leads to a significant deterioration of technological properties (primarily to a significant increase in viscosity) of the mixed mass of TG and the impossibility of manufacturing products from it using the indicated technologies.

Повышение содержания смолы более 39% даже при одновременном максимальном увеличении содержания отвердителя (более 4%) и предельном уменьшении содержаний поверхностно-активного вещества - диаминдиолеата (менее 0,1%) и пластификатора ДБФ (менее 0,5%) нецелесообразно ввиду того, что при этом механические характеристики практически не улучшаются (то есть происходит насыщение рецептуры отвердителем), но при этом значительно снижаются энергетические характеристики ТГ.An increase in resin content of more than 39% even with a simultaneous maximum increase in the content of hardener (more than 4%) and a maximum decrease in the content of the surfactant - diamine dioleate (less than 0.1%) and DBP plasticizer (less than 0.5%) is impractical due to the fact that in this case, the mechanical characteristics practically do not improve (that is, the formulation is saturated with a hardener), but at the same time the energy characteristics of TG are significantly reduced.

Сравнение заявляемого ТГ с прототипом показывает, что они содержат три одинаковых компонента: горючее-связующее, карборан или фенилкарборан и ультрадисперсный порошок высокоэнергетического металла.Comparison of the claimed TG with the prototype shows that they contain three identical components: fuel-binding, carboran or phenylcarboran and ultrafine powder of high-energy metal.

Но заявляемое ТГ в качестве горючего-связующего включает новые вещества -эпоксидную смолу, отвердитель (триэтаноламин или полиэтилен-полиамин), пластификатор - дибутилфталат, поверхностно-активное вещество - диаминдиолеат. В качестве ультрадисперсного высокоэнергетического порошка металла оно может включать новые вещества: высокодисперсные порошкообразные лигатуры бора (бор-алюминий, бор-магний, бор-никель или их смеси) и может содержать высокодисперсный порошок циркония. При этом соотношения между компонентами заявляемого ТГ и прототипа также отличаются.But the claimed TG as a fuel binder includes new substances - an epoxy resin, a hardener (triethanolamine or polyethylene-polyamine), a plasticizer - dibutyl phthalate, a surfactant - diamine dioleate. As an ultrafine, high-energy metal powder, it may include new substances: highly dispersed powdered boron ligatures (boron-aluminum, boron-magnesium, boron-nickel, or mixtures thereof) and may contain highly dispersed zirconium powder. In this case, the ratio between the components of the claimed TG and prototype also differ.

Преимуществом заявляемого ТГ по сравнению с прототипом является существенно более высокий уровень прочности и значительно меньшая деформативность при сохранении энергетических характеристик на том же уровне.The advantage of the claimed TG in comparison with the prototype is a significantly higher level of strength and significantly lower deformability while maintaining energy characteristics at the same level.

Также как и прототип, заявляемое ТГ не способно к детонации и стабильно при хранении.As well as the prototype, the claimed TG is not capable of detonation and is stable during storage.

Сравнение заявляемого ТГ с прототипом и известными аналогами показывает, что в технике отсутствует твердое горючее, в составе которого используются эпоксидная смола, отвердитель (в качестве которого используется (полиэтиленполиамин, или триэтаноламин, или их смесь), диаминдиолеат, дибутилфталат, высокодисперсная порошкообразная лигатура бора (бор-алюминий, бор-магний, бор-титан или их смеси) и высокодисперсный порошок циркония, а также предложенное сочетании компонентов.Comparison of the claimed TG with the prototype and known analogues shows that there is no solid fuel in the technique that uses epoxy resin, a hardener (which is used (polyethylene polyamine, or triethanolamine, or a mixture of them), diamine dioleate, dibutyl phthalate, highly dispersed powder boron ligature ( boron-aluminum, boron-magnesium, boron-titanium or mixtures thereof) and highly dispersed zirconium powder, as well as the proposed combination of components.

Но именно использование указанных компонентов и такое их сочетание обусловило решение поставленной задачи по созданию состава ТГ, обеспечивающего существенное улучшение механических характеристик при одновременном сохранении достоинств ТГ на уровне прототипа.But it was the use of these components and their combination that led to the solution of the task of creating the composition of the TG, which provides a significant improvement in mechanical characteristics while maintaining the advantages of TG at the prototype level.

Модельные образцы ГГЭ массой 50 г из предлагаемого ТГ и прототипа прошли испытания в специальной установке при выстреле с перегрузкой до 25000g. При этом образцы из предлагаемого ТГ сохранили целостность в этом испытании, а образцы из прототипа разрушились.Model samples of HGE weighing 50 g from the proposed TG and prototype were tested in a special installation when fired with overload up to 25000g. Moreover, the samples from the proposed TG retained integrity in this test, and the samples from the prototype were destroyed.

Заявляемое ТГ не вызывает принципиальных затруднений при изготовлении из него малогабаритных изделий по известным технологиям. Используемые в нем компоненты производятся промышленностью.The inventive TG does not cause fundamental difficulties in the manufacture of small-sized products from it according to known technologies. The components used in it are manufactured by industry.

Таким образом, предлагаемое техническое решение практически реализуемо и позволяет удовлетворить существующую потребность в твердом горючем для ПВРД АРС с повышенным уровнем механических характеристик.Thus, the proposed technical solution is practically feasible and allows you to satisfy the existing need for solid fuel for ramjet ramjet engine with high level of mechanical characteristics.

Claims

1. Solid fuel for ramjet engines containing an organic fuel-binder, an ultrafine powder of high-energy metal and carboran and / or phenylcarboran, characterized in that as a fuel-binder it contains a mixture of epoxy resin, dibutyl phthalate, hardener and diamine dioleate in the following the ratio of components, wt.%:
epoxy resin 14-39 dibutyl phthalate 0.5-5 hardener 1.4-4 diamine dioleate 0.1-0.7 carboran and / or phenylcarboran 0.1-20 ultrafine powder high energy metal rest

2. Solid fuel according to claim 1, characterized in that it contains polyethylene polyamine or triethanolamine as a hardener.

3. The solid fuel according to claim 1, characterized in that, as an ultrafine powder of a high-energy metal, it contains boron, aluminum, magnesium powder, or a fine powder of boron ligature, or a mixture thereof in any combination.

4. Solid fuel according to claim 3, characterized in that the ultrafine powder of high-energy metal additionally contains zirconium powder.