Твердое ракетное топливо
Владельцы патента RU 2254315:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Пермский завод им. С.М. Кирова" (RU)
Федеральное государственное предприятие "Научно-исследовательский институт полимерных материалов" (RU)
Изобретение относится к области создания твердых ракетных топлив, эксплуатируемых в широком температурном диапазоне и применяемых в двигателях с зарядами, прочно скрепленными с корпусом. Предложено твердое ракетное топливо, содержащее перхлорат аммония, алюминий дисперсный, полидивинилизопренуретановый каучук с концевыми эпоксидными группами, полибутадиеновый каучук с концевыми карбоксильными группами, ароматический амин - анилин, катализатор отверждения, железосодержащий катализатор скорости горения, пластификаторы и тонкодисперсный модифицированный хлорнокислый аммоний с сорбированным на его поверхности продуктом взаимодействия метилтрихлорсилана и воды. Изобретение направлено на создание твердого ракетного топлива с временем полимеризации не более 30 часов при t=80°С, с уровнем скорости горения до 25 мм/с при Р=100 кгс/см2 и t=20°C и с высокими эластическими характеристиками при положительных температурах. 1 табл.
Изобретение относится к области создания твердых ракетных топлив, эксплуатируемых в широком температурном диапазоне, которые могут применяться в различных ракетных системах в виде прочно скрепленных с корпусом ракетного двигателя зарядов. В настоящее время имеется ряд смесевых твердых ракетных топлив, созданных на основе полидивинилизопренового каучука, перхлората аммония (ПХА) и металлического горючего (алюминий дисперсный).
Компонентный состав этих топлив позволяет получить композиции с уровнем скорости горения от 6,0 до 45 мм/с при Р=100 кгс/см2 и t=20°C и возможность эксплуатации конструкций в диапазоне от минус 60 до 74°С. К недостаткам указанных топлив можно отнести длительный цикл полимеризации изделий (12-15 суток при температуре 80°С), невысокий уровень критических деформаций. Последнее устраняется в значительной степени изобретением по патенту RU 2170722 С1. Это топливо и принято в качестве прототипа для предлагаемого изобретения. Компонентный состав его и некоторые характеристики приведены в таблице. Композиция по патенту RU 2170722 С1 является наиболее близкой к заявляемому объекту по составу компонентов и ряду свойств.
Топливо имеет относительно малое время полимеризации при температуре 80°С (˜60-70 часов) и хорошие эластические свойства в широком температурном диапазоне (-60°-70°C). К недостаткам топлива-прототипа можно отнести узкий предел регулирования скорости горения (12-16 мм/с при 20°С и 100 кгс/см2). Изменение уровня скорости горения достигнуто изменением содержания железосодержащего катализатора скорости горения от 0 до 1,5 вес.%.
Однако для ряда изделий требуются топливные составы с более высоким уровнем скорости горения (до 25 мм/с при 20°С и давлении 100 кгс/см2) и улучшенными эластичными свойствами при положительных температурах. Кроме этого для обеспечения энергосберегающих технологий и производства зарядов желательно дальнейшее снижение времени полимеризации топлива до 15-30 часов.
Уровень скорости горения 25 мм/с может быть достигнут лишь при введении в состав топлива катализатора не менее 3,4 вес.%. Однако введение в состав топлива железосодержащего катализатора в количестве более 3 вес.%, который одновременно является пластификатором, приводит к изменению характеристик клеевого шва между топливным блоком и ЗКС корпуса в результате его миграции из топлива в ЗКС в процессе хранения, что может соответственно привести к изменению баллистических характеристик ракетного двигателя. Для предотвращения этого требуется принятие специальных мер, например, установки между топливным блоком и ЗКС экрана из алюминиевой фольги. Кроме этого, увеличение содержания катализатора приводит к снижению расчетного единичного импульса, что снижает эффективность ракетного двигателя, и увеличению рецептурной стоимости состава.
Технической задачей настоящего изобретения является создание на основе перхлората аммония, дисперсного алюминия и пластифицированного полидивинилизопренового каучука с концевыми эпоксидными группами, отверждаемого смесью полибутадиенового каучука с концевыми карбоксильными группами и ароматического амина (анилина) в присутствии катализаторов отверждения при содержании железосодержащего катализатора не более 2,5% топливной композиции с уровнем скорости горения до 25 мм/с при Р=100 кгс/см2 и t=20°C, времени полимеризации не более 30 часов при t=80°C, высокими эластическими характеристиками при положительных температурах и сохранением характеристик клеевого шва в процессе хранения без дополнительных мер по их обеспечению.
Задача решается за счет того, что твердое ракетное топливо, включающее перхлорат аммония, алюминий дисперсный, полидивинилизопреновый каучук с концевыми эпоксидными группами, полибутадиеновый каучук с концевыми карбоксильными группами, ароматический амин-анилин катализатор отверждения, железосодержащий катализатор скорости горения и пластификаторы, дополнительно содержит тонкодисперсный модифицированный хлорнокислый аммоний с сорбированным на его поверхности продуктом взаимодействия метилтрихлорсилана и воды, а в качестве полидивинилизопренового каучука с концевыми эпоксидными группами оно содержит полидивинилизопренуретановый каучук с концевыми эпоксидными группами при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Тонкодисперсный модифицированный | |
| хлорнокислый аммоний с сорбированным | |
| на его поверхности продуктом | |
| взаимодействия метилтрихлорсилана и воды | 13,0-22,75 |
| Алюминий дисперсный | 18,0-20,0 |
| Полидивинилизопренуретановый каучук | |
| с концевыми эпоксидными группами | 8,5-8,97 |
| Полибутадиеновый каучук с концевыми | |
| карбоксильными группами | 0,63-0,73 |
| Анилин | 0,06-0,11 |
| Пластификаторы | 3,76-5,62 |
| Железосодержащий катализатор скорости горения | 0,5-2,5 |
| Катализатор отверждения | 0,12-0,2 |
| Перхлорат аммония | остальное |
Варианты топливных композиций, их основные свойства, а также состав и свойства топлива-прототипа (один из вариантов) приведены в таблице.
Из таблицы видно, что, используя в составе предлагаемого топлива тонкодисперсный модифицированный хлорно-кислый аммоний с сорбированным продуктом взаимодействия воды и метилтрихлорсилана соответствующего количества, позволяет получить при умеренном содержании катализатора-пластификатора скорости горения уровень скорости горения при 100 кгс/см2 и 20°С около 25 мм/с. При этом сокращается время полимеризации топливной массы до 15-30 часов, несколько увеличивается эластичность топлива при положительных температурах и сохраняются характеристики клеевого шва.
Дисперсность модифицированного хлорно-кислого аммония характеризуется удельной поверхностью, находящейся в пределах 7000-8500 см2/г, что соответствует среднемассовому размеру частиц 3,8-4,4 мкм. Толщина пленки сорбированного продукта на поверхности хлорно-кислого аммония определяется величиной молекул, образующихся при реакции воды и метилтрихлорсилана, и составляет 5,5-6,6 А0. Без модификации поверхности измельченных частиц в процессе измельчения хлорно-кислого аммония невозможно достигнуть упомянутой дисперсности частиц из-за их агрегирования (Ермилов П.И. «Диспергирование пигментов». М., Химия, 1971 г., стр.40-48).
Отсюда следует, что невозможно будет обеспечить требуемый уровень скорости горения при ограничении (<2,5 вес.%) содержания катализатора-пластификатора скорости горения.
Кроме этого, при взаимодействии сорбированного на поверхности частиц продукта с компонентами системы отверждения достигается дополнительный эффект ускорения отверждения. Этот эффект отсутствует при использовании хлорно-кислого аммония эквивалентной дисперсности с применением в качестве антислеживающей добавки, предотвращающей агрегирование, например, аэросила (Ермилов П.И. «Диспергирование пигментов». М., Химия, 1971 г.). Так время отверждения топлива, содержащего компоненты в том же соотношении, что и в формуле, но где вместо модифицированного вводился хлорно-кислый аммоний с аэросилом (0,15 вес.%), составило 62 часа вместо 15-27 часов.
Пример конкретного выполнения.
Состав готовят следующим образом. Полидивинилизопреновый каучук с концевыми эпоксидными группами (8,85%) смешивают с пластификаторами (олигомерным полидивинилизопреном, эфиром себациновой кислоты) - (4,32%), алюминием дисперсным - (18,9%). Параллельно готовится смесь отвердителей, включающая в себя полибутадиеновый каучук с концевыми карбоксильными группами - (0,7%), ароматический амин (анилин) - (0,11%) и железосодержащий катализатор скорости горения - (2%). Кроме этого, предварительно готовится рабочая смесь окислителя, включающая в себя 48,67% перхлората аммония разной дисперсности, модифицированного тонкодисперсного хлорно-кислого аммония с сорбированным на поверхности частиц продуктом взаимодействия воды и метилтрихлораллана - (16,25%), и катализатора отверждения - (0,12%).
Топливная масса готовится смешением всех компонентов в специальных смесителях при температуре 45-55°С и Рост. не более 15-20 мм рт.ст. и подается на операцию формования заряда твердого ракетного топлива.
| Таблица | |||||
| Компоненты и характеристики | Прототип № патента RU 2170722 C1 | Содержание компонентов, % и показатели | |||
| Примеры конкретного выполнения | |||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | ||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| Тонкодисперсный модифицированный хлорно-кислый аммоний с сорбированным продуктом | - | 13 | 16,25 | 19,5 | 22,75 |
| Алюминий дисперсный | 9 | 20 | 18,9 | 18,0 | 18,9 |
| Полидивинилизопреновый каучук с концевыми эпоксидными группами | 6,0 | 8,07 | 8,85 | 8,89 | 8,82 |
| Полибутадиеновый каучук с концевыми карбоксильными группами | 0,5 | 0,63 | 0,7 | 0,7 | 0,73 |
| Ароматический амин | 0,07 | 0,06 | 0,11 | 0,07 | 0,11 |
| Пластификаторы | 4,5 | 5,82 | 4,32 | 4,0 | 3,76 |
| Катализаторы отверждения | 0,14 | 0,12 | 0,12 | 0,14 | 0,20 |
| Железосодержащий катализатор-пластификатор горения | 1,2 | 0,5 | 2,0 | 2,3 | 2,5 |
| Ароматическая аминокислота | 0,02 | - | - | - | - |
| Перхлорат аммония | остальное | ||||
| Время отверждения (полимеризации) при 80°С, час | 60-70 | 27,0 | 21,0 | 21,0 | 15,0 |
| Скорость горения при Р=100 кгс/см2 и t=20°C, мм/с | 13,5 | 12,4 | 15,5 | 19,2 | 24,8 |
| Относительное удлинение при максимальном напряжении ε, % при 20°С | 60,4 | 75,1 | 104,1 | 66,0 | 56,0 |
| Модуль упругости при 2% растяжении, кгс/см2 при 20°С | 30,0 | 25,0 | 12,0 | 27,0 | 30,0 |
Твердое ракетное топливо, включающее перхлорат аммония, алюминий дисперсный, полидивинилизопреновый каучук с концевыми эпоксидными группами, полибутадиеновый каучук с концевыми карбоксильными группами, ароматический амин - анилин, катализатор отверждения, железосодержащий катализатор скорости горения и пластификаторы, отличающееся тем, что топливо дополнительно содержит тонкодисперсный модифицированный хлорнокислый аммоний с сорбированным на его поверхности продуктом взаимодействия метилтрихлорсилана и воды, а в качестве полидивинилизопренового каучука с концевыми эпоксидными группами оно содержит полидивинилизопренуретановый каучук с концевыми эпоксидными группами при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| тонкодисперсный модифицированный хлорнокислый | |
| аммоний с сорбированным на его поверхности продуктом | |
| взаимодействия метилтрихлорсилана и воды | 13,0-22,75 |
| алюминий дисперсный | 18,0-20,0 |
| полидивинилизопренуретановый каучук с | |
| концевыми эпоксидными группами | 8,5-8,97 |
| полибутадиеновый каучук с концевыми | |
| карбоксильными группами | 0,63-0,73 |
| анилин | 0,06-0,11 |
| пластификаторы | 3,76-5,62 |
| железосодержащий катализатор скорости горения | 0,5-2,5 |
| катализатор отверждения | 0,12-0,2 |
| перхлорат аммония | остальное. |
