RU2638989C1 - Гипергольное ракетное топливо - Google Patents
Гипергольное ракетное топливо Download PDFInfo
- Publication number
- RU2638989C1 RU2638989C1 RU2016116753A RU2016116753A RU2638989C1 RU 2638989 C1 RU2638989 C1 RU 2638989C1 RU 2016116753 A RU2016116753 A RU 2016116753A RU 2016116753 A RU2016116753 A RU 2016116753A RU 2638989 C1 RU2638989 C1 RU 2638989C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fuel
- additive
- weight
- self
- igniting
- Prior art date
Links
Images
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
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C06—EXPLOSIVES; MATCHES
- C06C—DETONATING OR PRIMING DEVICES; FUSES; CHEMICAL LIGHTERS; PYROPHORIC COMPOSITIONS
- C06C15/00—Pyrophoric compositions; Flints
-
- 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
- C06D5/08—Generation of pressure gas, e.g. for blasting cartridges, starting cartridges, rockets by reaction of two or more liquids
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
- C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
- C10L1/00—Liquid carbonaceous fuels
- C10L1/10—Liquid carbonaceous fuels containing additives
- C10L1/14—Organic compounds
- C10L1/18—Organic compounds containing oxygen
- C10L1/182—Organic compounds containing oxygen containing hydroxy groups; Salts thereof
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
- C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
- C10L1/00—Liquid carbonaceous fuels
- C10L1/10—Liquid carbonaceous fuels containing additives
- C10L1/14—Organic compounds
- C10L1/30—Organic compounds compounds not mentioned before (complexes)
Landscapes
- Liquid Carbonaceous Fuels (AREA)
Abstract
Изобретение относится к ракетно-комической технике, а именно к самовоспламеняющимся (гипергольным) топливным системам, которые применяются для решения широкого спектра задач, например в маршевых двигателях, для ориентации космических аппаратов. Гипергольное ракетное топливо, самовоспламеняющееся при контакте с окислителем, состоит из горючего с пиротехнической добавкой и окислителя, в котором в качестве окислителя используют водные растворы пероксида водорода с концентрацией 81,5-98 мас.%, а в качестве горючего используют керосин с растворенной в нем пирофорной высокоактивной добавкой, содержание которой составляет 10-15 мас.% от веса горючего. Добавка представляет собой смесь, в состав которой входит 87 мас.% триэтилбора и 13 мас.% триэтилалюминия. Использование топлива позволяет повысить устойчивость сгорания компонентов, облегчить запуск и упростить конструкцию жидкостного ракетного двигателя из-за отсутствия системы зажигания. 3 ил., 1 табл., 2 пр.
Description
Изобретение относится к области ракетно-космической техники, а именно к самовоспламеняющимся (гипергольным) топливным системам, которые включают горючее, растворенные в нем добавки и окислитель. Топлива такого типа применяются для решения широкого спектра задач: в маршевых двигателях, для ориентации космических аппаратов. Использование такого топлива позволяет повысить устойчивость сгорания компонентов, облегчить запуск и упростить конструкцию жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) из-за отсутствия системы зажигания.
Традиционно в ракетно-космической технике в качестве самовоспламеняющегося ракетного топлива используются горючие на основе ароматических и алифатических аминов в паре с азотнокислотными ракетными окислителями, например несимметричный диметилгидразин в паре с тетраоксидом азота и другие топлива. Также самовоспламеняющееся ракетное топливо может использоваться как пусковое горючее.
Вышеупомянутые пропелленты имеют отличные эксплуатационные характеристики с точки зрения удельного импульса, плотности, задержки воспламенения и надежности.
Однако использование таких самовоспламеняющихся топлив на практике связано со значительным риском из-за их чрезвычайной токсичности и коррозионной активности.
В качестве окислителя в составах самовоспламеняющихся топлив используют концентрированную азотную кислоту, которая является мощным окислителем благодаря большому содержанию в ней кислорода. От всех широко используемых окислителей она выгодно отличается большим удельным весом. Главный ее недостаток - высокая коррозийная активность по отношению к большинству материалов. Хранение и транспортировка ее производится с использованием специальных емкостей. Также азотная кислота ядовита. Попадание ее на кожу человека вызывает появление болезненных, долго не заживающих язв.
Для устранения указанных недостатков в составах самовоспламеняющихся топлив используют тетраоксид азота, являющийся более эффективным окислителем, чем азотная кислота. Топлива на ее основе имеют удельную тягу примерно на 5% больше, чем азотнокислотные. По отношению к материалам тетраоксид азота значительно менее агрессивен, чем азотная кислота, но более ядовит. Главный его недостаток - низкая температура кипения и высокая температура затвердевания, что резко уменьшает возможность его использования в ракетных топливах в чистом виде. Условия его применения улучшаются в смесях с другими оксидами азота.
В составах самовоспламеняющихся топлив применяют также жидкий фтор, который обладает лучшими окислительными свойствами, чем кислород. Из всех химических элементов он наиболее активен, вступая в соединения почти со всеми окисляющимися веществами при обычной комнатной температуре. Из-за своей исключительно высокой химической активности фтор со всеми горючими образует самовоспламеняющиеся смеси.
Однако фтор очень ядовит. Он сильно разъедает кожу, глаза, дыхательные пути. Поэтому в ракетной технике он пока используется только в опытных двигателях.
Известно также использование в указанных целях гидразина и его производных (метилгидразин, несимметричный диметилгидразин и их смеси - так называемого аэрозина) в паре с самыми разными окислителями сопровождаются со значительными трудностями эксплуатационного характера. Гидразин и большинство его производных очень токсичны и определены как канцерогены. Пары гидразина вызывают раздражение глаз, дыхательных путей, при повышении концентрации приводит к коме и смерти человека.
Хранение высокотоксичных топлив на борту летательных аппаратов в течение длительных космических полетов представляет собой серьезную угрозу безопасности.
В связи с этим создание самовоспламеняющегося топлива с гораздо меньшей токсичностью и сопоставимой эффективностью является актуальной задачей.
Известна топливная система, состоящая из высококонцентрированного пероксида водорода (ВПВ), силана и жидкого горючего. В зону горения подается ВПВ и силан. Происходит разложение пероксида водорода и воспламенение силана. После воспламенения в зону горения вводится горючее, а подача силана уменьшается и прекращается (Патент US 6807805, МПК С06 В47/02; C06D 5/08; F02K 9/42; 2004).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению и принятой нами в качестве прототипа является композиция четырехкомпонентного горючего для гипергольного топлива (Патент CN 102863994, МПК C10L 1/182; C10L 1/22; C10L 1/30; 2013). Компонентами топлива являются: этанол, пропанол, бутанол и авиационный керосин. Кроме того, в составе горючего используют алкилзамещенные алкамины, катализаторы - тетрагидрат ацетата кобальта, изооктоат кобальтата, ацетилацетонат кобальта, вспомогательные катализаторы: диалкилэтаноламины, растворители. Горючее не токсично, не склонно к старению и ухудшению, способно к использованию в жидкостных ракетных двигателях. Данное горючее в контакте с пероксидом водорода, имеющего высокую концентрацию (70-90%) можно использовать как гипергольное топливо. Под действием растворенного в этаноле катализатора происходит разложение пероксида водорода, что приводит к воспламенению горючего.
Недостатками данного изобретения является присутствие в топливной системе, помимо окислителя и горючего, дополнительно катализатора-инициатора, требующего отдельную линию подачи и хранения, что усложняет конструкцию и повышает стоимость ЖРД.
Задачей предлагаемого изобретения является создание перспективного топлива, обладающего малой токсичностью и самовоспламеняющегося при контакте с окислителем.
Указанная задача решается за счет того, что разработано гипергольное ракетное топливо, самовоспламеняющееся при контакте с окислителем, состоящее из горючего с пиротехнической добавкой и окислителя, отличающееся тем, что в качестве окислителя используют водные растворы пероксида водорода с концентрацией 81,5-98% мас., а в качестве горючего используют керосин с растворенной в нем пирофорной высокоактивной добавкой, содержание которой составляет 10-15% мас. от веса горючего, причем добавка представляет собой смесь, в состав которой входит 87% мас. триэтилбора и 13% мас. триэтилалюминия.
Результаты испытаний новой гипергольной топливной композиции отражены в следующих примерах.
На фиг. 1. показана блок схема экспериментального стенда с автоматизированной вытеснительной системой подачи компонентов.
Стендовая установка оборудована расходными баками хранения высококонцентрированного пероксида водорода 5 и керосина 6. Электроклапаны 1, 2, 9 и 10 обеспечивают подачу компонентов топливной системы через форсунки 13, 14 в камеру сгорания 15. Для измерения времени выхода на режим по температуре и давлению установка оборудована датчиками измерения давления наддува 3, 4, 11, 12, а также датчиками контроля температуры 7 и 8. Регулировку подачи сжатого азота для наддува компонентов, осуществляют через пульт управления, расположенный в помещении управления стендом.
На фиг. 2 приведена конструкция камеры сгорания, которая позволяет организовывать встречу распыленных в центробежных форсунках 16, 17 компонентов.
Пример 1
Для установления физической картины воспламенение распыленных компонентов организовали при нормальных условиях, в инертной газовой среде, в среде газообразного кислорода и вакууме. Процесс смешения и воспламенения фиксировали на кинокамере. Лучшее смешение компонентов топлива осуществляется при давлении наддува 3 атм., расход горючего 3,15 г/с, расход окислителя 4,5 г/с, расстояние между форсунками 40 мм, угол впрыска 45°. Концентрация высококонцентрированного пероксида водорода 93%.
Как показали эксперименты, при одной о той же концентрации пирофорной добавки в керосине (15% мас.) в инертной среде азота воспламенение не происходит, в кислородной среде реализуется надежное воспламенение. При распыливании компонентов центробежными форсунками происходит надежное воспламенение на воздухе с 12% пирофорной добавки, а в кислородной среде - при 9% масс. добавки в керосине.
Пример 2
Испытания воспламенения при разных концентрациях окислителя и пирофорной добавки в керосине, проводят в цилиндрической камере сгорания 20 без критического сечения. Эксперимент проводят только в атмосфере воздуха при нормальных условиях, без создания дополнительной инертной или окислительной среды. Концентрация ВПВ составляет 81,5% мас., 85,7% мас., 93% мас. и 98% мас., наддув осуществляют при помощи азота. Условия испытаний: давление наддува горючего - 5 атм., давление наддува окислителя - 8 атм., расход окислителя - 16 г/с, расход горючего - 17 г/с, были выбраны из условия лучшей картины распыла компонентов топлива из форсунок смесительной головки 18, 19. Схема смесительной головки и камеры двигателя показана на фиг 3.
Из приведенных данных видно, что надежное воспламенение при струйном смешении в цилиндрической камере, достигается при концентрации пирофорной добавки в керосине >9% мас., в атмосфере воздуха. Увеличение концентрации гипергольной высокоактивной добавки выше 20% мас., может привести к самовоспламенению горючего при контакте с воздухом, и ухудшению технологических и эксплуатационных свойств горючего из-за закоксовывания трубопроводов и форсунок оксидами алюминия и бора.
Результаты испытаний, показаны в таблице:
Технический результат состоит в том, что разработано и испытано новое гипергольное топливо, токсичность, коррозионная активность и эффективность которого приближается к характеристикам традиционных, не самовоспламеняющихся ракетных топлив. Используемый высококонцентрированный пероксид водорода не токсичен, образующаяся при разложении парогазовая смесь состоит из экологически чистых компонентов: кислорода и перегретого водяного пара. ВПВ можно хранить при нормальных условиях в алюминиевых емкостях, широко используемых в ракетно-космической технике, допускается кратковременный контакт с материалами из нержавеющей стали
Данное изобретение имеет высокий потенциал для применения в системах ориентации космического аппарата, маршевых ЖРД для вывода большей массы полезной нагрузки на орбиту.
Claims (1)
- Гипергольное ракетное топливо, самовоспламеняющееся при контакте с окислителем, состоящее из горючего с пиротехнической добавкой и окислителя, отличающееся тем, что в качестве окислителя используют водные растворы пероксида водорода с концентрацией 81,5-98%, а в качестве горючего используют керосин с растворенной в нем пирофорной высокоактивной добавкой, содержание которой составляет 10-15 мас.% от веса горючего, причем добавка представляет собой смесь, в состав которой входит 87 мас.% триэтилбора и 13 мас.% триэтилалюминия.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016116753A RU2638989C1 (ru) | 2016-04-28 | 2016-04-28 | Гипергольное ракетное топливо |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016116753A RU2638989C1 (ru) | 2016-04-28 | 2016-04-28 | Гипергольное ракетное топливо |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2638989C1 true RU2638989C1 (ru) | 2017-12-19 |
Family
ID=60719007
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016116753A RU2638989C1 (ru) | 2016-04-28 | 2016-04-28 | Гипергольное ракетное топливо |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2638989C1 (ru) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB886948A (en) * | 1959-03-02 | 1962-01-10 | Metal & Thermit Corp | Boron hydride derivatives |
US4230509A (en) * | 1979-04-13 | 1980-10-28 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Pyrophoric flame composition |
RU2182163C2 (ru) * | 1995-06-07 | 2002-05-10 | Уильям К. Орр | Состав топлива |
RU2205863C2 (ru) * | 1994-03-02 | 2003-06-10 | Уильям С. ОРР | Топливная композиция и способ создания пара предкамерного сгорания |
RU2328519C2 (ru) * | 1994-05-31 | 2008-07-10 | Уильям К. Орр | Усовершенствованное сгорание в паровой фазе |
CN102863994A (zh) * | 2012-10-12 | 2013-01-09 | 葛明龙 | 一种与70%-98%过氧化氢自燃的四组分系燃料 |
-
2016
- 2016-04-28 RU RU2016116753A patent/RU2638989C1/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB886948A (en) * | 1959-03-02 | 1962-01-10 | Metal & Thermit Corp | Boron hydride derivatives |
US4230509A (en) * | 1979-04-13 | 1980-10-28 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army | Pyrophoric flame composition |
RU2205863C2 (ru) * | 1994-03-02 | 2003-06-10 | Уильям С. ОРР | Топливная композиция и способ создания пара предкамерного сгорания |
RU2328519C2 (ru) * | 1994-05-31 | 2008-07-10 | Уильям К. Орр | Усовершенствованное сгорание в паровой фазе |
RU2182163C2 (ru) * | 1995-06-07 | 2002-05-10 | Уильям К. Орр | Состав топлива |
CN102863994A (zh) * | 2012-10-12 | 2013-01-09 | 葛明龙 | 一种与70%-98%过氧化氢自燃的四组分系燃料 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Паушкин Я.М. Жидкие и твердые химические ракетные топлива, Москва., изд. Наука, 1978, с.178-184. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Amrousse et al. | Hydroxylammonium nitrate (HAN)-based green propellant as alternative energy resource for potential hydrazine substitution: From lab scale to pilot plant scale-up | |
Florczuk et al. | Performance evaluation of the hypergolic green propellants based on the HTP for a future next generation spacecrafts | |
Bhosale et al. | Additive-promoted hypergolic ignition of ionic liquid with hydrogen peroxide | |
EP2714264B1 (en) | Catalyst, gas generator, and thruster with improved thermal capability and corrosion resistance | |
US5223057A (en) | Monopropellant aqueous hydroxyl ammonium nitrate/fuel | |
US8024918B2 (en) | Rocket motor having a catalytic hydroxylammonium (HAN) decomposer and method for combusting the decomposed HAN-based propellant | |
Anflo et al. | Development and testing of ADN-based monopropellants in small rocket engines | |
US6230491B1 (en) | Gas-generating liquid compositions (persol 1) | |
RU2442904C2 (ru) | Ракетное топливо для жидкостных ракетных двигателей | |
US7966805B2 (en) | Hydroxyl amine based staged combustion hybrid rocket motor | |
Mahakali et al. | Development of reduced toxicity hypergolic propellants | |
Bhosale et al. | Sodium Iodide: a Trigger for Hypergolic Ignition of Non-toxic Fuels With Hydrogen Peroxide | |
EP2620422A1 (fr) | Nouveaux monergols ioniques à base de N2O pour la propulsion spatiale | |
US9970740B2 (en) | Viscous liquid monopropellant | |
Mayer et al. | European Fuel Blend development for in-space propulsion | |
RU2638989C1 (ru) | Гипергольное ракетное топливо | |
US3088272A (en) | Stable propellants | |
USH1768H (en) | Oxidizing agent | |
Ghanbari Pakdehi et al. | Specific Impulse and Ignition Delay Time Assessment for DMAZ with Liquid Oxidizers for an Upper Stage Rocket Engine | |
Goza | Application investigation of a hydroxylammonium nitrate thermocatalytic thruster on “green propellant” | |
US4090895A (en) | High energy fuel slurry | |
WO2001051433A1 (en) | Nitrous oxide/fuel monopropellants | |
Maschio et al. | Assessing the performance of a green liquid fuel hypergolic with hydrogen peroxide in a 50 N bipropellant thruster | |
US3213609A (en) | High energy propellant and process employing hydrazines and nitro compounds | |
US3170282A (en) | Use of of as a hypergolic additive for liquid oxygen |