Результат интеллектуальной деятельности: ЛЬДООБРАЗУЮЩЕЕ РАКЕТНОЕ ТОПЛИВО

Изобретение относится к области твердых ракетных топлив, содержащих нитроцеллюлозу и нитроглицерин, образующих при химической реакции горения нескольких твердых веществ газообразные продукты, активно воздействующие на облака при борьбе с градом и грозами за счет стимулирования и интенсификации осадков, рассеяния облаков и туманов.

Уровень данной области техники характеризует льдообразующее ракетное топливо по патенту RU 2108314 С1, С06В 25/18 C06D 5/06, 1998 г., которое включает нитроцеллюлозу, нитроглицерин, йодид серебра, йодат меди, окись железа, централит, индустриальное масло, стеарат цинка и углерод технический, при следующем соотношении компонентов (мас.%):

Это ракетное топливо, сравнительно с пиротехническими составами, имеет более высокие энергетические характеристики, более быстродействующий льдообразующий реагент, что позволяет использовать его одновременно как источник энергии для движения ракеты, так и в качестве источника активных центров кристаллизации переохлажденных облачных капель.

Метеорологические ракеты на основе такого твердого топлива имеют большую дальность полета и повышенную эффективность действия на облака при меньшей массе и габаритах.

Недостатком описанного состава является высокая температура горения топлива, что не позволяет использовать для изготовления оболочек корпусов ракет дешевые прессуемые материалы, которые не выдерживают рабочих температур.

Кроме того, указанный состав имеет высокий показатель «ν» порядка 0,6-0,8 в законе горения при низких давлениях (10-30 кгс/см²), что ограничивает применение в метеорологических ракетах и реактивных снарядах.

Отмеченные недостатки исключены в льдообразующем ракетном топливе, описанном в патенте RU 2289561 С1, С06В 25/24; C06D 5/06, 2006 г., которое по числу совпадающих признаков и технической сущности выбрано в качестве наиболее близкого аналога предложенному топливу.

Известное льдообразующее ракетное топливо на нитроцеллюлозной основе, включающее нитроглицерин, йодид серебра, йодид меди, окись железа, централит, масло индустриальное, стеарат цинка, углерод технический, дибутилфталат и полиакриламид, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Известное ракетное топливо горит при температуре не выше 1850°C, обеспечивая выход активных центров кристаллизации не менее 10¹³ 1/г при минус 10°C и не менее 10¹² 1/г при температуре минус 6°C, с низким показателем «ν» не более 0,5 в законе скорости горения при низких давлениях.

Недостатком известного льдообразующего ракетного топлива является технологическая проблема приготовления термической основы из возгоняемых вредных и дорогостоящих компонентов. Состав характеризуется высокой чувствительностью к механическим воздействиям, что существенно ограничивает применение метеорологических ракет и снарядов по назначению.

Кроме того, эффективность действия известного состава по выходу активных ядер кристаллизации ограничена неполнотой возгонки йодида серебра, часть которого подвергается при горении термодеструкции.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности действия на облака льдообразующего ракетного топлива и снижение его себестоимости за счет использования в качестве термической основы конверсионно утилизируемого баллиститного пороха, содержащего в структуре распределенные нитроцеллюлозу и нитроглицерин и который химически стабилизирован централитом, то есть технологичного и безопасного в переработке материала.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известном льдообразующем ракетном топливе, термическая основа которого содержит нитроцеллюлозу и нитроглицерин, включающем функциональный йодид серебра, йодсодержащую соль меди, катализатор горения - оксид железа (III), технологические добавки, в том числе централит и технический углерод, согласно изобретению в качестве термической основы введен утилизируемый утилизируемого баллиститного пороха, содержащего в структуре распределенные нитроцеллюлозу и нитроглицерин и который химически стабилизирован централитом, то есть технологичного и безопасного в переработке материала.

Требуемый технический результат достигается тем, что в известном льдообразующем ракетном топливе, термическая основа которого содержит нитроцеллюлозу и нитроглицерин, включающие функциональный йодид серебра и йодат меди, катализатор горения - оксид железа(III), технологические добавки, в том числе централит и технический углерод, согласно изобретению в качестве термической основы введен утилизируемый баллиститный порох, при этом топливо дополнительно содержит алюминиевый порошок, динитротолуол, йодид аммония или калия и активирующую добавку - оксид меди(II), при следующем соотношении компонентов (мас.%):

причем в качестве технического углерода использована сажа.

Отличительные признаки предложенного технического решения позволяют производить утилизацию арсенальных запасов баллиститного пороха в качестве готовой термической основы ракетного топлива, безопасно смешиваемой с функциональными, технологическими и целевыми компонентами льдообразующего состава для твердотопливных реактивных шашек.

При этом стало возможным использовать при перемешивании компонентов состава водорастворимый йодид аммония - наилучший активатор при возгонке йодида серебра, основного поставщика в генерируемый аэрозоль ядер кристаллизации, что повысило эффективность действия льдообразующего топлива по назначению.

Баллиститные пороха являются многокомпонентной системой, характеризующейся способностью гореть без доступа воздуха - свойство, которое используется в предложенном ракетном топливе.

Содержание йодида серебра в составе, сравнительно с прототипом, увеличено, чтобы гарантированно обеспечить повышенную эффективность воздействия на облака, вызывая устойчивое выпадение осадков.

Использование йодата меди (как реакционного источника йодида меди - активатора льдообразования) взамен йодида меди по прототипу, уменьшает массовую долю компонента в составе без снижения эффективности действия, при этом термическое разложение йодата меди генерирует свободный кислород, обеспечивающий дополнительное окисление горючего, в результате чего увеличивается удельный выход ядер кристаллизации.

Введение в состав топлива алюминиевого порошка обеспечило максимально полную возгонку функционального йодида серебра за счет повышения калорийности продуктов горения при взаимодействии с кислородом воздуха, образуя оксид Al₂O₃, в качестве дисперсной фазы генерируемого аэрозоля, где служит подложкой для конденсации паров йодида серебра.

В результате чего формируются укрупненные центры активные центры кристаллизации, повышающие эффективность обработки облаков.

При содержании в составе льдообразующего топлива алюминиевого порошка меньше 4 мас.% возгонка основного функционального реагента (AgJ) недостаточна, на уровне прототипа.

При содержании в составе льдообразующего топлива алюминиевого порошка больше 6 мас.% повышается температура горения до уровня, когда часть йодида серебра термически разлагается, что резко снижает эффективность выхода активных центров кристаллизации.

При содержании в составе ракетного топлива йодида серебра меньше 2мас.% вырождается его вторая функция по образованию в газоаэрозольных продуктах горения активных центров кристаллизации в достаточном количестве при воздействии на облака, то есть в этом случае состав непригоден для искусственного вызывания регулярных осадков.

При содержании в льдообразующем ракетном топливе йодида серебра больше 6 мас.% дальнейшего улучшения действия по льдообразованию не достигается (согласно данным испытаний на стенде моделирования процесса и отбора проб).

Дополнительное введение в предложенную композицию йодида аммония или йодида калия, практически аналогичного по активности действия, направлено на выделение при горении топлива свободного йода и сохранения их в аэродисперсном состоянии, что создает благоприятную среду для полной возгонки без термодеструкции йодида серебра, основного поставщика ядер кристаллизации.

При содержании йодида аммония/калия в льдообразующем топливе меньше 3 мас.% не создается заметного повышения эффективности выхода активных центров кристаллизации.

Содержание йодида аммония/калия в льдообразующем топливе больше 6 мас.% является балластным.

Дополнительное введение в состав льдообразующего топлива оксида меди (II) сформировало комплексный катализатор горения, совместно с оксидом железа (III).

Оксид меди (II) при этом, в сочетании с йодидом меди, способствует повышению температурного порога кристаллизации в облаке в районе минус 2°C.

Содержание в топливе оксида железа (III) меньше 2 мас.%, а оксида меди (II) меньше 1 мас.% недостаточно для катализирующего действия процесса горения, которое протекает с относительно низкой скоростью.

При содержании в топливе оксида железа (III) больше 5 мас.%, а оксида меди (II) больше 2 мас.% дополнительной активации горения не происходит.

Динитротолуол, входящий в состав баллиститного пороха, пластифицирует композицию топливной смеси и при ее горении служит активным газообразователем для газодинамического выноса функциональных ядер кристаллизации в генерируемый аэрозоль, при этом дополнительно предотвращает термодеструкцию и выгорание льдообразующего реагента.

При содержании в льдообразующем ракетном топливе динитротолуола меньше 2 мас.% недостаточно влияние на процесс горения баллиститного пороха, в частности, по снижению температуры горения и активации газообразования, что не обеспечивает заданной эффективности по назначению.

При содержании динитротолуола в льдообразующем ракетном топливе больше 9 мас.% не обеспечивается равномерность перемешивания компонентов состава и однородность служебных характеристик зарядов из него.

Сажа совместно с централитом, в качестве технологических добавок, улучшает переработку однородного пластичного состава, обеспечивая ему прессуемость.

Сажа (технический углерод) является известным антифрикционным материалом, обеспечивая равномерность перемешивания компонентов и требуемое уплотнение заряда при безопасном прессовании.

В предложенном пиротехническом составе сажа служит катализатором разложения нитроцеллюлозы в структуре баллиститного пороха, а технический углерод является инертной технологической добавкой.

Централит обеспечивает химическую стабилизацию состава в течение требуемого длительного времени хранения зарядов.

Количественное содержание технологических добавок экспериментально оптимизировано в пределах, когда явно проявляются их влияние на технологичность и функциональные свойства в составе льдообразующего ракетного топлива.

Пиротехнический состав по изобретению расширяет температурный диапазон воздействия генерируемого аэрозоля на переохлажденные облака.

Так, активность горения предложенного льдообразующего ракетного топлива повышается за счет комбинированного катализатора горения: оксид железа (III) + оксид меди (II) + сажа в экспериментально оптимизированном их массовом соотношении.

Ракетное топливо по изобретению расширяет температурный диапазон воздействия генерируемого аэрозоля на переохлажденные облака и туман, так в облаках при температуре минус 2°C обеспечивается выход активных ядер с коэффициентом (1-2)·10¹¹, что значительно выше, чем в результате действия состава по прототипу.

Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого изобретение явным образом не следует для специалиста по пиротехнике, показал, что оно неизвестно, а с учетом возможности серийного изготовления на действующем производстве зарядов льдообразующего ракетного топлива, можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.

Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи являются достаточными для достижения новизны качества, неприсущей признакам в разобщенности, то есть поставленная в изобретении техническая задача решена не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы признаков.

Количественное соотношение компонентов предложенного льдообразующего топлива на основе утилизируемого конверсионного баллиститного пороха было рассчитано по математической модели планирования эксперимента и нашло подтверждение по достижению показателей назначения при экспериментальном опробовании опытных образцов уплотненных шашечных зарядов торцевого горения.

Для оптимизации количественного соотношения компонентов топлива по изобретению были приготовлены композиции для испытаний, которые включали структурные элементы в пределах предложенного диапазона, в его середине и за границами оптимизированных значений необходимого минимального и максимального количества их массового содержания в составе.

Предложенная композиция на основе пластифицированного и химически стабилизированного баллиститного пороха (в виде крошки) приготавливается по принятой в пиротехнике технологии смешивания в штатном смесителе, куда помещают все порошковые компоненты и проводят смешивание в течение 10-15 минут, после чего в приготовленную смесь добавляют динитротолуол и централит и дополнительно перемешивают в течение 7-10 минут до равномерного распределения компонентов в объеме.

Приготовленную смесь выгружают и направляют на прессование зарядов заданных формы и размеров.

Натурные испытания опытных образцов зарядов полностью подтвердили достижение показателей назначения и пригодность использования в качестве льдообразующего ракетного топлива для метеорологических ракет.

Предложенное топливо характеризуется следующими показателями: при скорости торцевого горения заряда 8-19 мм/с создается удельный импульс тяги не менее 1600 м/с при давлении 18-22 кгс/см² и температуре горения 1720-2100°C, обеспечивая при этом выход активных центров кристаллизации не менее 10¹³ 1/г при температуре минус 10°C, не менее 10¹² 1/г при температуре минус 6°C и (1-2)·10¹¹ при температуре минус 2°C; средняя скорость торцевого горения заряда из предложенного состава при Р_к=2 МПа ограничена диапазоном 9,4-10,1 мм/с, при этом показатель «ν» в законе скорости горения составляет 0,4-0,5, что позволяет рекомендовать его для практического использования, обеспечив экологичность утилизации запасов конверсионного баллиститного пороха и экономию финансовых средств.

Предложенная композиция на основе пластифицированного и химически стабилизированного баллиститного пороха (в виде крошки) приготавливается по принятой в пиротехнике технологии смешивания в штатном смесителе, куда помещают все порошковые компоненты и проводят смешивание в течение 10-15 минут, после чего в приготовленную смесь добавляют динитротолуол и централит и дополнительно перемешивают компоненты в течение 7-10 минут до равномерного распределения в объеме состава.

Приготовленную смесь выгружают и направляют на прессование зарядов заданных формы и размеров.

Натурные испытания опытных образцов зарядов полностью подтвердили достижение показателей назначения и пригодность использования в качестве льдообразующего ракетного топлива для метеорологических ракет.

Предложенное топливо характеризуется следующими показателями: при скорости торцевого горения заряда 8-19 мм/с создается удельный импульс тяги не менее 1600 м/с при давлении 18-22 кгс/см² и температуре горения 1720-2100°C, обеспечивая при этом выход активных центров кристаллизации не менее 10¹³ 1/г при температуре минус 10°C, не менее 10¹² 1/г при температуре минус 6°C и (1-2)·10¹¹ при температуре минус 2°C; средняя скорость торцевого горения заряда из предложенного состава при Р_к=2 МПа ограничена диапазоном 9,4-10,1 мм/с, при этом показатель «υ» в законе скорости горения составляет 0,4-0,5, что позволяет рекомендовать его для практического использования, обеспечив экологичность утилизации запасов конверсионного баллиститного пороха и экономию финансовых средств.

Для отработки и проверки достижения требуемых показателей назначения были приготовлены и испытаны пиротехнические составы с содержанием компонентов внутри оптимизированных диапазонов их содержания, на границах и за границами пределов этих диапазонов.

Как показали стендовые испытания опытных зарядов льдообразующего ракетного топлива, составы 2-4 полностью соответствуют тактико-техническому заданию в качестве источника активных центров кристаллизации переохлажденных капель взвеси, показатели назначения которых приведены выше.

Состав 1 характеризуется пониженным газообразованием при уменьшении выхода активных центров кристаллизации, эффективность которой определяется порогом льдообразования не выше 6°C.

Состав 5 горит с нестабильной скоростью из-за неоднородной структуры компонентов при смешивании и разной плотности после прессования зарядов, что определяет существенное снижение возгонки йодида серебра и, как следствие, неудовлетворительное функционирование по вызыванию регулярных осадков в переохлажденных облаках и тумане.