Низкотемпературное твердое топливо
Владельцы патента RU 2389714:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный университет (ТГУ) (RU)
Изобретение относится к области разработки газогенерирующих низкотемпературных твердых топлив. Низкотемпературное твердое топливо содержит нитрат аммония в качестве окислителя, каучук СКДМ-80 в качестве полимерного горючего, ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтилбензол в качестве отверждающего агента и динитрофеноксиэтанол в качестве катализатора скорости горения. Изобретение направлено на создание рецептурного состава низкотемпературного твердого топлива на основе нитрата аммония с улучшенными характеристиками зажигания и горения. 4 табл.
Изобретение относится к области разработки газогенерирующих низкотемпературных твердых топлив, содержащих нитрат аммония в качестве окислителя.
Известны низкотемпературные твердые топлива, содержащие нитрат аммония в качестве окислителя и полимерное горючее-связующее [1]. Данные топлива используются в качестве источников энергии твердотопливных ракетных двигателей, а также твердотопливных газогенераторов различного назначения (наддув автомобильных подушек безопасности, распыливание хладагента в системах пожаротушения, системы газотермического воздействия на призабойную зону нефтесодержащих пластов с целью повышения нефтеотдачи и т.д.).
Твердые топлива на основе нитрата аммония имеют низкую (по сравнению с топливами на основе традиционно используемого в качестве окислителя перхлората аммония) температуру горения, и, соответственно, низкую температуру продуктов сгорания [2]. Это является их преимуществом при использовании в качестве газогенерирующих топливных композиций.
Использование нитрата аммония в качестве окислителя обеспечивает улучшение экологических характеристик продуктов сгорания (за счет отсутствия в них токсичных хлорсодержащих компонентов) и снижает себестоимость твердых топлив по сравнению с перхлоратными составами [3].
Известны способы увеличения скорости горения твердотопливных композиций на основе нитрата аммония за счет использования в качестве горючих-связующих либо соединений, насыщенных азотом, либо быстрогорящих компонентов. Также увеличение скорости горения достигается введением 3 мас.% наноразмерных каталитических добавок - металлов переходной группы (никель, молибден, железо) [4].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой композиции низкотемпературного твердого топлива является состав [5], содержащий следующие компоненты, мас.%:
| Нитрат аммония | 80.7 |
| Каучук марки СКДМ-80 | 19.3 |
| Отверждающий агент | 0.2 сверх 100%. |
В данном составе в качестве отверждающего агента используется ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтилбензол (ТОН-2), позволяющий отверждать топливную композицию при комнатной температуре (20÷35)°С, а также предотвращать полиморфные переходы нитрата аммония [6, 7].
Известные композиции твердых топлив на основе нитрата аммония требуют высокой температуры для обеспечения устойчивого зажигания, характеризуются большими временами задержки зажигания, низким уровнем скорости горения и повышенным содержанием твердых веществ (в основном, сажи) в продуктах сгорания. Это ограничивает их области применения в ряде конкретных конструкций твердотопливных газогенераторов.
Техническим результатом настоящего изобретения является улучшение характеристик зажигания и горения низкотемпературного твердого топлива на основе нитрата аммония.
Технический результат изобретения достигается тем, что разработан состав низкотемпературного твердого топлива, содержащего нитрат аммония, полимерное горючее-связующее (каучук марки СКДМ-80) и ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтилбензол в качестве отверждающего агента, отличающийся тем, что топливо дополнительно содержит динитрофеноксиэтанол при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
| Нитрат аммония | 80.7 |
| Каучук марки СКДМ-80 | 19.3 |
| Динитрофеноксиэтанол | (1.0÷1.5) сверх 100% |
| Отверждающий агент | 0.2 сверх 100%. |
Полученный положительный эффект улучшения характеристик зажигания и горения низкотемпературного твердого топлива за счет введения в его состав (1.0÷1.5) мас.% динитрофеноксиэтанола (ДНФЭ) связан с тем, что ДНФЭ является катализатором скорости горения топлива. При этом с увеличением скорости горения повышается полнота сгорания и, соответственно, снижается содержание конденсированных продуктов (сажи) в продуктах сгорания. Увеличение скорости химических реакций в присутствии катализатора ДНФЭ улучшает и характеристики зажигания твердого топлива - снижает время задержки зажигания и температуру устойчивого зажигания.
ДНФЭ представляет собой твердое кристаллическое вещество белого цвета, химическая формула которого имеет следующий вид:
C6H5OC2H3(NO2)2.
Одним из возможных механизмов влияния ДНФЭ на процессы зажигания и горения твердого топлива является выделение окислов азота при термическом разложении ДНФЭ, которые, в свою очередь, являются активными катализаторами распада нитрата аммония и способствуют окислению органического горючего-связующего [8].
Пример реализации заявляемого изобретения заключается в изготовлении топливной смеси путем механического перемешивания в смесителе типа «Бэкон» следующих ингредиентов:
| Нитрат аммония | 80.7 г |
| Каучук марки СКДМ-80 | 19.3 г |
| ТОН-2 | 0.2 г |
| ДНФЭ | (0÷2.0) г. |
Содержание ДНФЭ варьировали в следующих количествах: 0; 0.5 г; 1.0 г; 1.5 г; 2.0 г. При отсутствии в составе смеси ДНФЭ получали топливо, выбранное в качестве прототипа.
Из полученной топливной массы формовали методом проходного прессования цилиндрические образцы диаметром 10 мм и высотой (5÷40) мм.
Эффективность заявляемой композиции низкотемпературного твердого топлива определяли проведением сравнительных экспериментов по зажиганию и горению топлива - прототипа (не содержащего ДНФЭ) и топлив с добавками (0.5÷2.0) г этого катализатора.
Время задержки зажигания и температуру устойчивого зажигания определяли в условиях кондуктивного нагрева образцов на нагретой до заданной температуры стальной пластине при атмосферном давлении на открытом воздухе. Скорость горения образцов определяли в приборе постоянного давления в атмосфере азота при давлении 2.5 МПа известным методом сгорающих проволочек. Содержание твердых (конденсированных) веществ в продуктах сгорания определяли путем взвешивания кварцевого отборника, размещенного в приборе постоянного давления, до и после сжигания образца топлива.
В табл.1 приведены времена задержки зажигания в зависимости от температуры пластины для составов с разным содержанием ДНФЭ.
| Таблица 1 | |||||||||
| Содержание ДФНЭ, мас.% | |||||||||
| 0 (прототип) | 0.5 | 1.0 | 1.5 | 2.0 | |||||
| T, K | t, с | T, K | t, c | T, K | t, с | T,K | t, c | T, K | t, с |
| 705 | 27.2 | 714 | 19.3 | 665 | 22.6 | 652 | 20.6 | 660 | 19.8 |
| 712 | 21.4 | 717 | 12.0 | 670 | 15.2 | 670 | 14.8 | 670 | 15.0 |
| 720 | 17.5 | 725 | 8.2 | 672 | 2.6 | 672 | 2.2 | 672 | 2.2 |
| 732 | 9.3 | 731 | 2.5 | 674 | 1.3 | 675 | 0.9 | 674 | 1.3 |
Нижний температурный предел зажигания топлива-прототипа (не содержащего ДНФЭ) составляет 700 К. Введение в состав топлива ДНФЭ снижает этот предел до ~650 К.
Значения температуры зажигания топлив с разным содержанием ДНФЭ при фиксированных временах задержки зажигания (5 с; 10 с; 15 с) приведены в табл.2.
Приведенные в табл.2 результаты показывают, что наиболее эффективно температура зажигания заявляемого состава низкотемпературного твердого топлива снижается при введении (1.0÷1.5) мас.% сверх 100% динитрофеноксиэтанола. Дальнейшее увеличение содержания ДНФЭ в составе топлива до 2 мас.% не приводит к снижению времени задержки зажигания данной композиции.
| Таблица 2 | ||||||
| t, c | Содержание ДФНЭ, мас.% | |||||
| 0 (прототип) | 0.5 | 1.0 | 1.5 | 2.0 | ||
| Температура зажигания, К (при фиксированном времени задержки зажигания) | 5 | 743 | 728 | 672 | 671 | 671 |
| 10 | 730 | 721 | 670 | 668 | 668 | |
| 15 | 723 | 716 | 668 | 665 | 665 |
Результаты измерения скорости горения образцов в зависимости от содержания ДНФЭ в топливе приведены в табл.3.
| Таблица 3 | |||
| Содержание ДНФЭ, мас.% | 0 | 1.0 | 1.5 |
| Скорость горения, мм/с | 0.38±0.03 | 0.58±0.02 | 0.60±0.03 |
Результаты измерения содержания твердых веществ в продуктах сгорания при давлении 2.5 МПа в зависимости от содержания ДНФЭ в топливе приведены в табл.4.
| Таблица 4 | |||
| Содержание ДНФЭ, мас.% | 0 | 1.0 | 1.5 |
| Содержание твердых продуктов сгорания, мас.% | 4.2±0.2 | 2.6±0.2 | 2.4±0.2 |
Таким образом, введение (1.0÷1.5) мас.% ДНФЭ в состав топливной композиции приводит к снижению нижнего предела температуры зажигания на ~50 градусов, к снижению времени задержки зажигания в (1.1÷1.3) раз, к повышению скорости горения (при давлении 2.5 МПа) в (1.5÷1.6) раз и уменьшению содержания твердых веществ в продуктах сгорания при этом давлении в (1.6÷1.7) раз.
Экспериментально показано, что дальнейшее повышение ДНФЭ сверх 1.5 мас.% нецелесообразно, поскольку не влияет на улучшение характеристик зажигания и горения заявляемой топливной композиции.
Литература
1. Arkhipov V., Vorozhtsov A., Bondarchuk S., et al. Ballistic Characteristics of Solid Propellants Containing Dual Oxidizer // European Conference for Aerospace Sciences (EUCASS). Moscow, 2005. - pp.1-8.
2. Энергетические конденсированные системы. Краткий энциклопедический словарь / Под ред. Б.П.Жукова. - М.: Янус-К, 2000. - 596 с.
3. 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.
4. Михайлов Ю.М., Алешин В.В., Ганина Л.В., Самороковская Н.Ю. Влияние катализаторов на скорость горения энергетических композитов на основе нитрата аммония // Материалы III Всероссийской конференции "Энергетические конденсированные системы". Черноголовка-Москва, 2006 - С.183-184.
5. Попок В.Н. Изучение горения топливных композиций на основе нитрата аммония // Материалы Международной школы-конференции молодых ученых. "Физика и химия наноматериалов". Томск, 2005. - С.437-439.
6. Белоусов A.M., Пазников Е.А., Орлова Н.А. Влияние соотношения функциональных групп полимера и отвердителя на качественные и временные параметры реакции формирования пространственной сетки полимера // International Scientific Conference "Chemistry, Engeneering and Biotechnology", Tomsk, Russia, C.196-197.
7. Ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтилбензол. ТУ 2471-307-05121441-98, СКТБ "Технолог" г.Санкт-Петербург.
8. Глазкова А.П. Катализ горения взрывчатых веществ. - М.: Наука, 1976.
Низкотемпературное твердое топливо, содержащее нитрат аммония, каучук марки СКДМ-80 и ди-N-оксид-1,3-динитрил-2,4,6-триэтилбензол в качестве отверждающего агента, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит динитрофеноксиэтанол в качестве катализатора скорости горения при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
| нитрат аммония | 80,7 |
| каучук марки СКДМ-80 | 19,3 |
| динитрофеноксиэтанол | (1,0÷1,5) сверх 100% |
| отверждающий агент | 0,2 сверх 100% |
