Результат интеллектуальной деятельности: РАКЕТНОЕ ТОПЛИВО СТАРОВЕРОВА-18 /ВАРИАНТЫ/

Изобретение относится к ракетным топливам (далее РТ), хотя бы один из компонентов которых (горючее, окислитель, или однокомпонентное топливо) содержит связанный азот. Известны РТ, содержащие бор или некоторые соединения бора, см. пат. №US 2328519. Однако в них бор используется только как горючее. Изобретение предназначено для гибридных и жидкостных двигателей.

Скорость истечения газов зависит от скорости звука в сжатом газе, который образуется в объеме камеры сгорания (у твердотопливных двигателей таковой является весь объем двигателя). В той смеси газов, которая образуется при горении большинства РТ, и при той температуре и давлении скорость звука обычно не превышает 1300 м/сек., и для ее повышения требуется расширяющееся реактивное сопло.

Между тем скорость звука в водороде даже при нормальных температуре и давлении 1330 м/сек. А если еще и немного повысить температуру и давление водорода, скорость звука резко возрастет. Например, водород с температурой всего 650° С (это ниже температуры его воспламенения) будет иметь при нормальном давлении скорость звука 2360 м/сек.

Кроме того, большинство РТ содержат связанный азот, который при горении выделяется и в свободном виде. Его можно заставить экзотермически реагировать с целью повышения тепловыделения реакции с мелкодисперсным (желательно, наноразмеров) бором или с его горючими соединениями.

На этом и основана идея данного изобретения. Задача и технический результат изобретения - повышение скорости реактивной струи. Не только за счет повышения энергетики реакции, но и за счет получения выделяющихся газа с малым средним молекулярным весом - водорода. Свободный азот, пары воды и, особенно, «тяжелый» CO2 нежелательны.

Эта цель достигается, во-первых, тем, что происходит реакция «половинного горения» гидридов и боргидридов (то есть окисляется только металл, иногда бор). А во-вторых, тем, что идет вторая энергетическая реакция - реакция бора с азотом с образованием нитрида бора. При температуре 800-1200 градусов С происходит реакция:

То есть на единицу добавленного бора получается добавочное тепловыделение 23,37 кдж/г.Такая добавка улучшит тепловыделение любого РТ

Понятно, что количество атомов бора и азота должно относиться как 1:1+-20% (не считая тех случаев, когда бор используется и в качестве основного горючего).

Реакция образования нитрида бора лучше идет в присутствии восстановителей - угля, сажи, графита, графена, водорода. В некоторых реакциях происходит выделение углерода, поэтому в добавочных количествах восстановителя они не нуждается, в других случаях рекомендуется добавлять мелкодисперсного угля, графита, сажи или графена в количестве 0,0001-1% (оптимально 0,01-0,1%). Присутствие водорода в продуктах реакции уменьшает или даже исключает потребность в углероде.

В РТ возможны тройные (три исходных компонента) двуэнергетические реакции (две энергетические реакции: кислород металл и азот-бор) типа «боргидрид-окислитель-гидрид» (они рассмотрены мной ранее). Они обеспечивают хорошее тепловыделение. Но иногда бывает полезнее увеличить объем выделяющегося водорода и снизить температуру реакции, чтобы не допустить потери тепла на испарение или плавление твердых получившихся компонентов реакции, и не допустить загрязнения водорода парами этих веществ. Для этого в реакцию можно добавить гидразин.

Рассмотрим составы таких топлив с некоторыми наиболее перспективными соединениями.

СОЕДИНЕНИЯ БЕРИЛЛИЯ.

Применение гидридов бериллия, лития и алюминия известно в ракетной технике, но они применяются в других комбинациях и с другим количеством окислителя. Рассмотрим реакции наиболее энергетичных гидрида и боргидрида бериллия с разными окислителями.

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 44,78%+-15%, азотная кислота - 24,31%+-15%, гидразин - 30,91%+-15%, (здесь и далее - масс. %).

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 45,03%+-15%, пятиокись азота - 25,14%+-15%, гидразин - 29,83%+-15%.

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 44,61%+-15%, нитрат аммония 30,76%+-15%, гидразин - 24,63%+-15%.

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 45,14%+-15%, динитрамид аммония (далее ДНА) - 36,17%+-15%, гидразин - 18,69%+-15%.

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 43,45%+-15%, нитрат бора 24,56%+-15%, гидразин - 31,99%+-15%. Исходное количество гидразина в этой реакции слишком велико, поэтому желательно добавить к предыдущей реакции гидрид бериллия, при этом пойдет параллельная реакция:

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 17,20%+-15%, нитрат бора - 58,30%+-20%, гидрид бериллия - 24,50%+-10%. Комбинируя эти две реакции можно добиться нужного оптимального исходного содержания аммиака. То есть, реакция получится четырехкомпонентной. Этот же способ можно применить и ко всем рассмотренным выше и ниже реакциям.

Также все выше и ниже описанные реакции можно комбинировать между собой для получения нужной общей скорости реакции.

Возможна реакция боргидрида бериллия и гидрида бериллия с нитратом бериллия:

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 37,32%+-15%, нитрат бериллия -37,96%+-15%, гидразин - 24,72%+-15%.

С недавно открытым веществом N3O6 возможна реакция:

Соотношение компонентов: боргидрида бериллия - 45,14%+-15%, шестиокиси азота - 26,83%+-15%, гидразин - 28,03%+-15%.

Может пойти побочная реакция образования воды из водорода, но при таких температурах гидрид бериллия или сам бериллий будут реагировать с водяными парами и разлагать воду обратно до водорода.

Может пойти побочная реакция образования оксида бора, но в присутствии вышеназванных восстановителей он будет реагировать с азотом с образованием нитрида бора.

СОЕДИНЕНИЯ ЛИТИЯ-АЛЮМИНИЯ.

Более дешевой химической реакцией может быть также тройная двуэнергетическая реакция лития или алюминия и их соединений с участием бора. Литий обладает вторым после бериллия тепловыделением на единицу смеси - 19,93 кдж/г., а алюминий - на четвертом месте - 16,43 кдж/г-смеси. Но алюминий обладает другими достоинствами - он недефицитен и нетоксичен. Литий трудно разделяется с алюминием, и поэтому наиболее распространено их комплексное соединение.

Реакция боргидрида лития:

Соотношение компонентов: боргидрид лития -48,08%+-15%, динитрамид аммония - 34,23%+-15%, гидразин - 17,69%+-15%.

Или возможна такая же реакция с боргидридом алюминия:

Соотношение компонентов: боргидрид алюминия - 50,33%+-15%, динитрамид аммония - 32,75%+-15%, гидразин - 16,92%+-15%.

Реакция ДНА с боргидридом лития-алюминия является сумой этих двух реакций (далее также следует иметь в виду, что реакция с литием-алюминием эквивалентна двум реакциям - с литием и с алюминием).

Рассмотрим возможные реакции:

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 49,43%+-15%, азотная кислота - 22,26%+-15%, гидразин - 28,31%+-15%.

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 49,68%+-15%, пятиокись азота - 23,01%+-15%, гидразин - 27,31%+-10%.

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 49,26%+-15%, нитрат аммония - 28,18%+-15%, гидразин - 22,56%+-15%.

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия -49,79%+-15%, динитрамид аммония -33,10%+-15%, гидразин - 17,11%+-15%.

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 48,09%+-15%, нитрат бора - 22,55%+-15%, гидразин - 29,36%+-15%.

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 47,17%+-15%, нитрат бериллия - 26,90%+-15%, гидразин - 25,93%+-15%.

С недавно открытым веществом N3O6 возможна реакция:

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 49,79%+-15%, шестиокись азота - 24,55%+-15%, гидразин - 25,66%+-15%.

СОЕДИНЕНИЯ КРЕМНИЯ.

Кремний находится на пятом месте по тепловыделению реакции с кислородом - 15,06 кдж/г-смеси. Но он обладает другим достоинством - это один из наиболее широко распространенных в природе элементов, и его оксид совершенно не токсичен.

Могут использоваться боргидрид кремния и аммиак с разными окислителями.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 47,82%+-15%, азотная кислота - 22,97%+-15%, гидразин - 29,21%+-15%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 48,07%+-15%, пятиокись азота - 23,75%+-15%, гидразин - 28,18%+-15%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 47,65%+-15%, нитрат аммония безводный - 29,07%+-15%, гидразин - 23,28%+-15%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 48,17%+-15%, динитрамид аммония - 34,17%+-15%, гидразин - 17,66%+-15%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 48,48%+-15%, нитрат бора - 19,94%+-15%, гидразин - 31,58%+-15%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 45,56%+-15%, нитрат бериллия - 27,72%+-15%, гидразин - 26,72%+-15%.

С недавно открытым веществом N3O6 возможна реакция:

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 48,17%+-15%, шестиокись азота - 25,35%+-15%, гидразин - 26,48%+-15%.

СОЕДИНЕНИЯ БОРА - ТЕТРАБОРАН (жидкий).

Бор находится на третьем месте по тепловыделению реакции с кислородом - 18,02 кдж/г-смеси.

Бор может выступать и в качестве горючего, и в качестве источника второй энергетической реакции с азотом. Наиболее перспективен тетраборан - он содержит чуть меньше водорода, чем диборан (2,5 атома водорода на 1 атом бора вместо 3), зато легко сжижается (+18 C), и имеет примерно в 4 раза большую плотность в сжиженном состоянии, чем диборан в сверхкритическом состоянии. Еще более удобен в обращении декаборан - он твердый, но он содержит мало водорода - всего 1,4 атома водорода на 1 атом бора.

Рассмотрим реакции тетраборана с разными окислителями:

Соотношение компонентов: тетраборан - 29,89%+-25%, азотная кислота - 60,56%+-25%, гидразин - 9,55%+-9%. При этом следует иметь в виду, что так как бор является в данных реакциях и горючим веществом, и реагирует с азотом, то соотношения компонентов могут быть различными. Именно поэтому в разделе «соединения бора» взяты такие большие допуски содержания ингредиентов. То есть, каждая реакция с боранами представляет собой две параллельные реакции (то же относится и к декаборану, см. ниже):

Соотношение компонентов: тетраборан - 45,41%+-15%, гидразин - 54,59%+-15%. И вторая реакция:

Соотношение компонентов: тетраборан - 38,83%+-15%, азотная кислота - 61,17%+-15%. Комбинируя эти две реакции можно получить различные сочетания коэффициентов реакции, в том числе - дробные.

Далее:

Соотношение компонентов: тетраборан - 40,72%+-25%, пятиокись азота - 49,49%+-25%, гидразин - 9,79%+-9%.

Соотношение компонентов: тетраборан - 42,52%+-35%, нитрат аммония - 31,92%+-25%, гидразин - 25,56%+-25%.

Соотношение компонентов: тетраборан - 42,31%+-35%, ДНА - 49,22%+-35%, гидразин - 8,74%+-8%.

Соотношение компонентов: тетраборан - 38,01%+-30%, нитрат бора - 46,76%+-35%, гидразин- 15,23%+-15%.

Соотношение компонентов: тетраборан - 36,53%+-25%, нитрат бериллия - 54,69%+-25%, гидразин - 8,78%+-8%.

Соотношение компонентов: тетраборан - 40,91%+-25%, шестиокись азота - 52,94%+-25%, гидразин - 6,15%+-6%.

СОЕДИНЕНИЯ БОРА - ДЕКАБОРАН (твердый).

Как сказано выше, все реакции с боранами представляют собой две параллельные реакции, например, реакции \26-а\ и \26-б\. Рассмотрим реакции тетраборана с разными окислителями:

Соотношение компонентов: декаборан - 39,13%+-25%, азотная кислота - 40,35%+-25%, гидразин - 20,52%+-20%.

Соотношение компонентов: декаборан - 38,64%+-25%, пятиокись азота - 51,23%+-35%, гидразин - 10,13%+-10%.

Соотношение компонентов: декаборан - 38,88%+-25%, нитрат аммония - 50,92%+-35%, гидразин - 10,20%+-10%.

Соотношение компонентов: декаборан - 40,78%+-35%, ДНА - 41,40%+-35%, гидразин - 17,82%+-17%.

Соотношение компонентов: декаборан - 34,81%+-25%, нитрат бора - 56,06%+-25%, гидразин - 9,13%+-9%.

Соотношение компонентов: декаборан - 34,54%+-25%, нитрат бериллия - 56,40%+-25%, гидразин - 9,06%+-9%.

Соотношение компонентов: декаборан - 39,64%+-25%, шестиокись азота - 44,77%+-35%, гидразин - 15,59%+-15%.

Для управления скоростью реакции перечисленные составы могут смешиваться в любой пропорции, или в любой из вышеперечисленных зарядов может быть добавлен гидрид и/или боргидрид металла или бора. При этом последние практически не участвуют в ходе реакции, хотя и участвуют в изменении концентрации реагирующих веществ.

практически можно считать, что они лишь претерпевают термическое разложение с выделением водорода.

ПРИМЕР 1: ВеН2=Ве+Н2

ПРИМЕР 2: В2Н6=2В+3Н2

Два этих примера дают пример боргидрида,

ПРИМЕР 3: Ве(ВН4)2-Be+2В+4Н2

Все перечисленные водородовыделяющие РТ значительно повысят обороноспособность нашей страны.