Содержащая гидразин композиция с пониженной токсичностью паров для применения в качестве компонента ракетного топлива или промышленного растворителя

Группа изобретений относится к вариантам содержащей гидразин композиции для применения в качестве компонента ракетного топлива или промышленного растворителя. Композиция по первому варианту включает жидкую смесь, содержащую от 5 мол.% до 95 мол.% соединения, выбранного из группы, состоящей из гидразина, монометилгидразина, диметилгидразина, этилгидразина и их комбинаций, при этом указанное соединение имеет первое давление пара. Композиция также содержит от 5 мол.% до 90 мол.% по меньшей мере одного кислородсодержащего растворенного вещества или растворителя, имеющего второе давление пара, более низкое, чем первое давление пара. По меньшей мере одно кислородсодержащее растворенное вещество или растворитель выбрано из группы, состоящей из нитрата карбогидразида, нитрата этиламмония, нитрата этилендигидразина, гидроксиэтил гидразина, нитрата гидроксиэтилгидразиния, бис(2-гидроксиэтил)гидразина, нитрата бис(2-гидроксиэтил)гидразиния и их комбинаций. По второму варианту композиция включает жидкую смесь, содержащую воду, окислитель, соединение, выбранное из группы, состоящей из гидразина, монометилгидразина, диметилгидразина, этилгидразина и их комбинаций, и по меньшей мере одно кислородсодержащее растворенное вещество или растворитель. Окислитель выбран из группы, состоящей из динитрамида аммония, нитрата аммония, нитрата карбогидразида, нитрата гидразиния, нитрата гидроксиламмония и их комбинаций. Кислородсодержащее растворенное вещество или растворитель выбрано из группы, состоящей из нитрата карбогидразида, нитрата этиламмония, нитрата этилендигидразина, гидроксиэтилгидразина, нитрата гидроксиэтилгидразиния и их комбинаций. Обеспечивается композиция, обладающая низкой токсичностью паров. 2 н. и 19 з.п. ф-лы.

 

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Гидразины находят применение в качестве компонентов ракетного топлива и в качестве промышленных растворителей. Однако обычно гидразины имеют высокую токсичность паров, поэтому в целях безопасности при работе с ними следует соблюдать меры предосторожности. Для изменения таких свойств, как точка замерзания, гелеобразование или характеристики тяги, гидразины комбинируют с добавками. Несмотря на уже достигнутые успехи в изменении определенных свойств, попытки снизить токсичность паров без значительного ухудшения требуемых функциональных характеристик, таких как каталитические свойства и растворяющая способность, в большинстве случаев не увенчались успехом.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Содержащая гидразин композиция в соответствии с одним из примеров настоящего изобретения включает в себя жидкую смесь, содержащую от 5 мол. % до 95 мол. % непротонированного гидразина, выбранного из группы, состоящей из гидразина, монометил гидразина, диметилгидразина, этилгидразина и их комбинаций, при этом непротонированный гидразин имеет первое давление пара, и от 5 мол. % до 90 мол. % по меньшей мере одного кислородсодержащего растворенного вещества или растворителя, имеющего второе давление пара, более низкое, чем первое давление пара. По меньшей мере одно кислородсодержащее растворенное вещество или растворитель выбирают из группы, состоящей из ацеталей, ацетилов, алкоксиаминов, содержащих два или более атомов углерода, альдегидов, амидов, аминоспиртов, карбазидов, семикарбазидов, углеродсодержащих нитратов, содержащих катионы с логарифмическими константами диссоциации выше 9,2, гидроксиалкилнитросоеди нений, гидроксиалкилгидразинов, карбонатов, карбоновых кислот и ангидридов карбоновых кислот, сложных эфиров, простых эфиров, кеталей, кетонов, моно- и полиспиртов с массовой долей 31% или выше, нитроэфиров, нитрозаминов, сахаров и их комбинаций.

Согласно дополнительному варианту осуществления любого из указанных выше вариантов осуществления, по меньшей мере одно кислородсодержащее растворенное вещество или растворитель выбрано из группы, состоящей из нитрата карбогидразида, нитрата этиламмония, нитрата этилендигидразина, гид роксиэтил гидразина, нитрата гидроксиэтилгидразиния, бис(2-гидроксиэтил)гидразина, нитрата бис(2-гидроксиэтил)гидразиния и их комбинаций.

Согласно дополнительному варианту осуществления любого из указанных выше вариантов осуществления, жидкая смесь содержит до 98 мол. % воды.

Согласно дополнительному варианту осуществления любого из указанных выше вариантов осуществления, жидкая смесь содержит окислитель, выбранный из группы, состоящей из нитрата аммония, нитрата карбогидразида, нитрата гидразиния, нитрата гидроксиламмония и их комбинаций.

Согласно дополнительному варианту осуществления любого из указанных выше вариантов осуществления, по меньшей мере одно кислородсодержащее растворенное вещество или растворитель выбрано из группы, состоящей из нитрата этиламмония, нитрата гидроксиэтилгидразиния и их комбинаций.

Согласно дополнительному варианту осуществления любого из указанных выше вариантов осуществления, жидкая смесь содержит до 98 мол. % воды.

Согласно дополнительному варианту осуществления любого из указанных выше вариантов осуществления, жидкая смесь содержит окислитель, выбранный из группы, состоящей из нитрата аммония, нитрата карбогидразида, нитрата гидразиния, нитрата гидроксиламмония и их комбинаций.

Согласно дополнительному варианту осуществления любого из указанных выше вариантов осуществления, по меньшей мере одно кислородсодержащее растворенное вещество или растворитель представляет собой нитрат этиламмония.

Согласно дополнительному варианту осуществления любого из указанных выше вариантов осуществления, по меньшей мере одно кислородсодержащее растворенное вещество или растворитель представляет собой нитрат гидроксиэтилгидразиния.

Согласно дополнительному варианту осуществления любого из указанных выше вариантов осуществления, жидкая смесь содержит до 98 мол. % воды.

Согласно дополнительному варианту осуществления любого из указанных выше вариантов осуществления, жидкая смесь содержит окислитель.

Согласно дополнительному варианту осуществления любого из указанных выше вариантов осуществления, окислитель выбран из группы, состоящей из нитрата аммония, нитрата карбогидразида, нитрата гидразиния, нитрата гидроксиламмония и их комбинаций.

Согласно дополнительному варианту осуществления любого из указанных выше вариантов осуществления, окислитель представляет собой нитрат гидразиния.

Согласно дополнительному варианту осуществления любого из указанных выше вариантов осуществления, по меньшей мере одно кислородсодержащее растворенное вещество или растворитель выбрано из группы, состоящей из нитрата карбогидразида, нитрата этиламмония, нитрата этилендигидразина, гид роксиэтил гидразина, нитрата гидроксиэтилгидразиния, бис(2-гидроксиэтил)гидразина, нитрата бис(2-гидроксиэтил)гидразиния и их комбинаций.

Согласно дополнительному варианту осуществления любого из указанных выше вариантов осуществления, жидкая смесь содержит до 98% воды.

Согласно дополнительному варианту осуществления любого из указанных выше вариантов осуществления, жидкая смесь имеет плотность от 1,1 г/см³ до 1,5 г/см³.

Согласно дополнительному варианту осуществления любого из указанных выше вариантов осуществления, второе давление пара ниже, чем первое давление пара, по меньшей мере на 50%.

Содержащая гидразин композиция в соответствии с одним из примеров настоящего изобретения включает в себя жидкую смесь, содержащую воду, окислитель, выбранный из группы, состоящей из динитрамида аммония, нитрата аммония, нитрата карбогидразида, нитрата гидразиния, нитрата гидроксиламмония и их комбинаций, непротонированный гидразин, выбранный из группы, состоящей из гидразина, монометил гидразина, диметилгидразина, этилгидразина и их комбинаций, и по меньшей мере одно кислородсодержащее растворенное вещество или растворитель, выбранное из группы, состоящей из нитрата карбогидразида, нитрата этиламмония, нитрата этилендигидразина, гидроксиэтилгидразина, нитрата гидроксиэтилгидразиния и их комбинаций.

Согласно дополнительному варианту осуществления любого из указанных выше вариантов осуществления, жидкая смесь содержит от 20 мол. % до 80 мол. % непротонированного гидразина, от 10 мол. % до 80 мол. % кислородсодержащего растворенного вещества или растворителя, от 0 мол. % до 20 мол. % окислителя и от 0 мол. % до 20 мол. % воды.

Согласно дополнительному варианту осуществления любого из указанных выше вариантов осуществления, окислитель представляет собой нитрат гидразиния, а по меньшей мере одно кислородсодержащее растворенное вещество или растворитель выбрано из группы, состоящей из нитрата этиламмония и нитрата гидроксиэтилгидразиния и их комбинаций.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В данном документе предложена жидкая содержащая гидразин композиция с низкой токсичностью паров, обеспечивающая хорошую эффективность в качестве компонента ракетного топлива и в качестве промышленного растворителя. Добавки и ранее использовались в сочетании с гидразином. Однако такие добавки не приводили к эффективному снижению токсичности паров гидразинов до уровней, безопасных для воздействия на человека, без ухудшения при этом требуемых свойств гидразина. Например, такие добавки часто делают смесь слишком разбавленной или вязкой, снижают химическую активность до неэффективных уровней или сокращают срок хранения до неприемлемых уровней.

Тем не менее, в ходе данной работы неожиданно было обнаружено, что некоторые кислородсодержащие растворенные вещества и растворители эффективно снижают токсичность паров гидразина, сохраняя при этом функциональные характеристики гидразина, делающие его привлекательным для использования в качестве компонента ракетного топлива или в качестве промышленного растворителя. Например, сильные кислородсодержащие растворенные вещества и растворители, образующие азеотропные и/или псевдоазеотропные смеси с гидразином и имеющие более низкое давление пара, чем гидразин, могут быть смешаны с гидразином для эффективного снижения токсичности паров при сохранении функциональности.

Содержащая гидразин композиция представляет собой жидкую смесь и содержит от 5 мол. % до 90 мол. % гидразина, выбранного из гидразина, монометилгидразина, диметилгидразина, этилгидразина и их комбинаций, и от 5 мол. % до 95 мол. % по меньшей мере одного кислородсодержащего растворенного вещества или растворителя, выбранного из ацеталей, ацетилов, алкоксиаминов, содержащих два или более атомов углерода, альдегидов, амидов и, в частности, карбоксамидов, аминоспиртов, карбазидов и семикарбазидов, углеродсодержащих нитратов, содержащих катионы с логарифмическими константами диссоциации выше 9,2, гидроксиалкилнитросоединений, гидроксиалкилгидразинов, карбонатов, карбоновых кислот и ангидридов карбоновых кислот, сложных эфиров, простых эфиров, кеталей, кетонов, моно- и полиспиртов с массовой долей 31% или выше, нитроэфиров, нитрозаминов, сахаров и их комбинаций.

Непротонированный гидразин имеет первое давление пара, а кислородсодержащее растворенное вещество или растворитель имеет второе давление пара, более низкое, чем первое давление пара. Давление пара обычно выражают в миллиметрах ртутного столба (мм рт.ст.) при стандартной температуре 25°С, но могут использоваться любые эквивалентные единицы. Растворенные вещества или растворители с более низким давлением пара являются предпочтительными, поскольку получаемое в результате снижение давления пара и токсичности паров гидразина будет, как правило, больше. Например, жидкая смесь, в которой второе давление пара на 90% меньше, чем первое давление пара, будет снижать токсичность паров гидразина больше, чем смесь, состоящая из гидразина и растворенного вещества или растворителя в равноценных молярных соотношениях, но в которой второе давление пара на 30% ниже, чем первое давление пара, где единицами сравнения являются мм рт.ст. при стандартной температуре 25°С. В одном из примеров второе давление пара ниже, чем первое давление пара, по меньшей мере на 50%.

Непротонированный гидразин по существу не протонирован в жидкой смеси. Например, кислородсодержащее растворенное вещество или растворитель является некислотным или имеет щелочное значение рН, чтобы свести к минимуму протонирование гидразина. В свою очередь, непротонирование гидразина способствует сохранению каталитической и химической активности гидразина, а не изменению этих активностей, как это делают другие, более кислые добавки.

Примеры растворенных веществ и растворителей, подходящих для использования в жидких смесях по настоящему изобретению, приведены ниже:

Жидкая смесь также предпочтительно имеет относительно высокую плотность, что желательно для хорошей характеристики объемной удельной тяги. Например, жидкая смесь предпочтительно имеет плотность по меньшей мере 1,1 г/см³ и, наиболее предпочтительно, больше 1,25 г/см³. В одном из примеров жидкая смесь имеет плотность от 1,1 г/см³ до 1,5 г/см³.

Согласно дополнительным примерам, кислородсодержащее растворенное вещество или растворитель выбраны из нитрата карбогидразида, нитрата этиламмония, нитрата этилендигидразина, гидроксиэтил гидразина, нитрата гидроксиэтилгидразиния и их комбинаций.

Жидкая смесь из приведенных выше примеров может также содержать дополнительные добавки, такие как другие растворенные вещества или растворители и/или окислитель. Например, жидкая смесь содержит до 98 мол. % воды. Согласно другому примеру, жидкая смесь содержит окислитель, выбранный из нитрата аммония, нитрата карбогидразида, нитрата гидразиния, нитрата гидроксиламмония и их комбинаций. Жидкая смесь может содержать окислитель в соотношении эквивалентов до 0,5.

Согласно дополнительному примеру, жидкая смесь содержит воду, окислитель, выбранный из нитрата аммония, нитрата карбогидразида, нитрата гидразиния, нитрата карбогидразида и их комбинаций, непротонированный гидразин, выбранный из гидразина, монометилгидразина, диметилгидразина, этилгидразина и их комбинаций, и кислородсодержащее растворенное вещество или растворитель, выбранные из нитрата карбогидразида, нитрата этиламмония, нитрата этилендигидразина, гидроксиэтил гидразина, нитрата гидроксиэтилгидразиния и их комбинаций. Например, жидкая смесь содержит:

от 20 мол. % до 80 мол. % непротонированного гидразина,

от 10 мол. % до 80 мол. % кислородсодержащего растворенного вещества или растворителя,

от 0 мол. % до 20 мол. % окислителя и

от 0 мол. % до 20 мол. % воды.

Жидкие смеси в контексте данного документа обычно имеют плотность, на от 25% до 30% большую, чем плотность отдельно взятого гидразина, и токсичность паров (давление пара), составляющую от 5% до 0,01% от токсичности паров (давления пара) отдельно взятого гидразина. Кроме того, жидкие смеси в контексте данного документа могут применяться в тех же условиях каталитического подогрева компонентов ракетного топлива, что и гидразин, и могут использоваться с известными конструкциями двигателей малой тяги из суперсплава на основе никеля (т.е., жидкие смеси не требуют использования дорогостоящих огнеупорных двигателей). Ниже представлены композиции, иллюстрирующие дополнительные примеры жидкой смеси.

ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Пример 1

70 мол. % гидразина (N₂H₄),

30 мол. % нитрата гидроксиэтилгидразиния

Давление пара по сравнению с беспримесным гидразином: 4%

Удельный импульс: 230 сек

Плотность 1,24 г/см³

Температура реакции: 910°С

Вязкость: приблизительно 13 сП при 20°С

Пример 2

65 мол. % гидразина (N₂H₄),

25 мол. % нитрата гидроксиэтилгидразиния

10 мол. % нитрата гидразиния

Давление пара по сравнению с беспримесным гидразином: 0,4%

Удельный импульс: 235 сек

Плотность 1,28 г/см³

Температура реакции: 1100°С

Вязкость: приблизительно 10 сП при 20°С

Пример 3

40 мол. % гидразина (N₂H₄),

40 мол. % нитрата гидроксиэтилгидразиния

12 мол. % нитрата гидразиния

8 мол. % воды

Давление пара по сравнению с беспримесным гидразином: 0,04%

Удельный импульс: 235 сек

Плотность 1,35 г/см³

Температура реакции: 1100°С

Вязкость: приблизительно 31 сП при 20°

Пример 4

35,7 мол. % гидразина (N₂H₄),

35,7 мол. % нитрата этиламмония

21,5 мол. % нитрата гидразиния

7,1 мол. % воды

Давление пара по сравнению с беспримесным гидразином: 0,03%

Удельный импульс: 235 сек

Плотность 1,29 г/см³

Температура реакции: 1100°С

Вязкость: приблизительно 11 сП при 20°С

Пример 5

65 мол. % гидразина (N₂H4),

16 мол. % нитрата гидроксиэтилгидразиния

6,5 мол. % нитрата этиламмония

12,5 мол. % нитрата гидразиния

Давление пара по сравнению с беспримесным гидразином: 0,4%

Удельный импульс: 235 сек

Пример 6

51 мол. % гидразина (N₂H₄),

23 мол. % нитрата этилендигидразина

8 мол. % нитрата гидразиния

18 мол. % воды

Давление пара по сравнению с беспримесным гидразином: 0,3%

Удельный импульс: 235 сек

Плотность 1,21 г/см³

Температура реакции: 1040°С

Вязкость: приблизительно 16 сП при 20°С

Пример 7

56 мол. % гидразина (N₂H₄),

18 мол. % карбогидразида

24 мол. % нитрата карбогидразида

2 мол. % воды

Давление пара по сравнению с беспримесным гидразином: 0,2%

Удельный импульс: 232 сек

Плотность 1,36 г/см³

Температура реакции: 1140°С

Вязкость: приблизительно 24 сП при 20°С

Пример 8

51 мол. % гидразина (N₂H₄),

22 мол. % нитрата этиламмония

23 мол. % нитрата аммония 4 мол. % воды

Давление пара по сравнению с беспримесным гидразином: 0,3%

Удельный импульс: 235 сек

Плотность 1,27 г/см³

Температура реакции: 1120°С

Вязкость: приблизительно 7 сП при 20°С

Пример 9

70 мол. % монометилгидразина,

20 мол. % нитрата гидроксиэтилгидразиния

10 мол. % нитрата аммония

Давление пара по сравнению с беспримесным монометилгидразином: 1%

Удельный импульс: 205 сек

Плотность 1,18 г/см

Температура реакции: 760°С

Вязкость: приблизительно 6 сП при 20°С

В представленных примерах показана комбинация признаков, однако не все из них необходимо комбинировать для реализации преимуществ различных вариантов осуществления данного изобретения. Другими словами, система, выполненная в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения, не обязательно будет включать в себя все признаки, показанные на любой из фигур, или все части, схематически изображенные на фигурах. Кроме того, выбранные особенности одного примерного варианта осуществления могут быть скомбинированы с выбранными особенностями других примерных вариантов осуществления.

Предшествующее описание имеет скорее иллюстративный, чем ограничивающий характер. Для специалистов в данной области техники могут быть очевидными изменения и модификации описанных примеров, не обязательно отклоняющиеся от данного описания. Объем правовой защиты, предоставляемой данному изобретению, может быть определен только путем изучения следующей формулы изобретения.

1. Содержащая гидразин композиция для применения в качестве компонента ракетного топлива или промышленного растворителя, включающая:

жидкую смесь, содержащую:

- от 5 мол.% до 95 мол.% соединения, выбранного из группы, состоящей из гидразина, монометилгидразина, диметилгидразина, этилгидразина и их комбинаций, при этом указанное соединение имеет первое давление пара, и

- от 5 мол.% до 90 мол.% по меньшей мере одного кислородсодержащего растворенного вещества или растворителя, имеющего второе давление пара, более низкое, чем первое давление пара,

где по меньшей мере одно кислородсодержащее растворенное вещество или растворитель выбрано из группы, состоящей из нитрата карбогидразида, нитрата этиламмония, нитрата этилендигидразина, гидроксиэтилгидразина, нитрата гидроксиэтилгидразиния, бис(2-гидроксиэтил)гидразина, нитрата бис(2-гидроксиэтил)гидразиния и их комбинаций.

2. Композиция по п. 1, где указанное соединение выбрано из группы, состоящей из гидразина, монометилгидразина, этилгидразина и их комбинаций.

3. Композиция по п. 2, где жидкая смесь содержит воду.

4. Композиция по п. 3, где жидкая смесь содержит окислитель, выбранный из группы, состоящей из нитрата аммония, нитрата карбогидразида, нитрата гидразиния, нитрата гидроксиламмония и их комбинаций.

5. Композиция по п. 1, где по меньшей мере одно кислородсодержащее растворенное вещество или растворитель выбрано из группы, состоящей из нитрата этиламмония, нитрата гидроксиэтилгидразиния и их комбинаций.

6. Композиция по п. 5, где жидкая смесь содержит воду.

7. Композиция по п. 6, где жидкая смесь содержит окислитель, выбранный из группы, состоящей из нитрата аммония, нитрата карбогидразида, нитрата гидразиния, нитрата гидроксиламмония и их комбинаций.

8. Композиция по п. 1, где по меньшей мере одно кислородсодержащее растворенное вещество или растворитель представляет собой нитрат этиламмония.

9. Композиция по п. 1, где по меньшей мере одно кислородсодержащее растворенное вещество или растворитель представляет собой нитрат гидроксиэтилгидразиния.

10. Композиция по п. 1, где жидкая смесь содержит воду.

11. Композиция по п. 1, где жидкая смесь содержит окислитель.

12. Композиция по п. 11, где окислитель выбран из группы, состоящей из нитрата аммония, нитрата карбогидразида, нитрата гидразиния, нитрата гидроксиламмония и их комбинаций.

13. Композиция по п. 11, где окислитель представляет собой нитрат гидразиния.

14. Композиция по п. 11, где по меньшей мере одно кислородсодержащее растворенное вещество или растворитель выбрано из группы, состоящей из нитрата карбогидразида, нитрата этиламмония, нитрата этилендигидразина, гидроксиэтилгидразина, нитрата гидроксиэтилгидразиния, бис(2-гидроксиэтил)гидразина, нитрата бис(2-гидроксиэтил)гидразиния и их комбинаций.

15. Композиция по п. 14, где жидкая смесь содержит воду.

16. Композиция по п. 1, где жидкая смесь имеет плотность от 1,1 г/см³ до 1,5 г/см³.

17. Композиция по п. 1, где второе давление пара ниже, чем первое давление пара, по меньшей мере на 50%.

18. Содержащая гидразин композиция для применения в качестве компонента ракетного топлива или промышленного растворителя, включающая:

жидкую смесь, содержащую:

- воду,

- окислитель, выбранный из группы, состоящей из динитрамида аммония, нитрата аммония, нитрата карбогидразида, нитрата гидразиния, нитрата гидроксиламмония и их комбинаций,

- соединение, выбранное из группы, состоящей из гидразина, монометилгидразина, диметилгидразина, этилгидразина и их комбинаций, и

- по меньшей мере одно кислородсодержащее растворенное вещество или растворитель, выбранное из группы, состоящей из нитрата карбогидразида, нитрата этиламмония, нитрата этилендигидразина, гидроксиэтилгидразина, нитрата гидроксиэтилгидразиния и их комбинаций.

19. Композиция по п. 18, где жидкая смесь содержит: от 20 мол.% до 80 мол.% соединения,

от 10 мол.% до 80 мол.% кислородсодержащего растворенного вещества или растворителя,

от 0 мол.% до 20 мол.% окислителя и от 0 мол.% до 20 мол.% воды.

20. Композиция по п. 19, где окислитель представляет собой нитрат гидразиния, а по меньшей мере одно кислородсодержащее растворенное вещество или растворитель выбрано из группы, состоящей из нитрата этиламмония и нитрата гидроксиэтилгидразиния и их комбинаций.

21. Композиция по п. 18, где указанное соединение выбрано из группы, состоящей из гидразина, монометилгидразина, этилгидразина и их комбинаций.