БЕЗДЫМНОЕ ТВЕРДОЕ РАКЕТНОЕ ТОПЛИВО

Изобретение относится к области создания бездымных твердых ракетных топлив (ТРТ), эксплуатируемых в широком температурном диапазоне (-50...+50), которые могут применяться в различных ракетных системах, например, ближнего боя, с лазерным наведением, высокоточного оружия, космического назначения.

Известны ТРТ, в том числе и за рубежом, по патенту США 3764418, опублик. 23.03.1972 г., заявленному 09.10.1973 г., содержащему следующие компоненты, мас.%:
Сополимер этилакрилата акриловой кислоты (95:5) - 4,80
Нитроглицерин - 24,50
Газовая сажа - 0,50
Отвердитель UNOX - 201 - 1,05
Перхлорат аммония - 20,20
Циклотетраметилентетранитроамин - 50,50
Это ТРТ имеет удельный импульс I_sp=229,41 кгс•с/кг при Р_к/Р_а=40/1.

Известен также состав ТРТ по патенту США 4216039 от 05.08.1980 г., содержащий, мас.%:
Циклотетраметилентетранитроамин - 75,80
Триметилолэтантринитрат - 15,00
Форполимер (полиэфир с концевыми гидроксильными группами) - 8,48
Нитроцеллюлоза и другие - 0,72
При этом удельный импульс I_sp=229,0 кгс•с/кг при Р_к/Р_а=40/1.

Однако данные ТРТ имеют существенный недостаток - сравнительно невысокий уровень энергетических характеристик. Наиболее близким по технической сущности и полученному результату является патент США 4389263, заявленный 09.10.1981 г. , опубликованный 21.06.1983 г. на изобретение "Бездымное твердое топливо", принятое авторами за прототип. Данное топливо содержит, мас.%:
Циклотетраметилентетранитроамин - 56,0
Нитроглицерин - 21,30
Бутантриолтринитрат - 9,15
Форполимер (полиэфир с концевыми гидроксильными группами) - 8,37
Нитроцеллюлоза - 1,11
Катализатор горения - 3,00
Коллагеновый белок - 1,07
Существенным недостатком топлива по прототипу является невысокий уровень энергетических характеристик.

Имеет расчетный удельный импульс I_sp=239,0 кгс•с/кг при Р_к/Р_а=40/1 и плотность ρ =1,69 г/см³.

Для перспективных ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ) необходимо иметь более высокий уровень энергетических характеристик в связи с возросшими требованиями к ракетным системам. Кроме того, к основному из новых требований относится максимально возможное снижение вероятности обнаружения работающего РДТТ при запуске ракеты. Основными характеристиками выхлопной струи при сгорании ТРТ является видимый шлейф выхлопных газов, дающий демаскирующий признак и влияющий на прохождение управляющих сигналов (включая лазерный луч), передаваемых на ракету. Видимый шлейф газовой струи образуется двумя составляющими: первичным дымом и вторичными продуктами дымообразования. Первый появляется при использовании в топливе металлического горючего (например, алюминия), при горении которого в камере сгорания образуются конденсированные продукты сгорания. Второй образуется в результате взаимодействия продуктов горения топлива и кислорода атмосферы, которое приводит к образованию также конденсированных продуктов сгорания, создающих дымовой шлейф, зависящий от состояния атмосферы. При сгорании наиболее распространенных топлив на основе перхлората алюминия (ПХА) образуется хлористый водород, который создает дымовой шлейф во влажном воздухе (конденсат соляной кислоты).

С экологической точки зрения, в частности, при использовании в ракетных системах для космических исследований дымообразование за счет галогенсодержащих (НСl, HI) продуктов сгорания также нежелательно (нарушение озонового слоя атмосферы).

Задачей изобретения является создание бездымного ТРТ с высоким уровнем энергетических характеристик, а также снижение вероятности обнаружения работающего на этом топливе ракетного двигателя при запуске ракеты.

Задача решается за счет того, что известный состав ТРТ, включающий пластификатор, окислитель - циклотетраметилентетранитроамин, высокомолекулярное связующее, отвердитель, катализатор горения, технологическую добавку - коллагеновый белок, в качестве пластификатора содержит нитроизобутилтринитратглицерин, в качестве связующего - полибутадиеннитрильный каучук или полиуретановый каучук, в качестве отвердителя - серу или двуокись марганца, в качестве катализатора горения - соли свинца или меди, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Нитроизобутилтринитратглицерин - 11,25-32,60
Полибутадиеннитрильный или полиуретановый каучук - 2,05-5,90
Циклотетраметилентетранитроамин - 55,80-83,80
Сера или MnО₂ - 1,50-2,00
Соль свинца или меди - 1,00-2,00
Коллагеновый белок - 0,40-3,00
Состав предлагаемого ТРТ содержит в качестве:
- окислителя - циклотетраметилентетранитроамин ОСТ В84-1509-77;
- высокомолекулярного связующего - полибутадиеннитрильный каучук СКН-40 ГОСТ 738-65;
полиуретановый каучук СКУ-90 ТУ 38.403557-87;
- отвердителя - серу ГОСТ 127-64;
MnО₂ ТУ 6 - 09 - 01 - 718-87;
- пластификатора - нитроизобутилтринитратглицерин Е.Ю. Орлова. Химия и технология бризантных взрывчатых веществ. Л.: Химия. 1973; Л.М. Козлов, В.Н. Бурмистров. Нитроспирты и их производные. КХТИ им. С.М. Кирова, Казань, 1960.

Нитроизобутилтринитратглицерин - маслянистая жидкость (ρ =1,68 г/см³, t≤-35^oС - замерзания (стеклования), t=243^oС - вспышки, удовлетворительная химическая стойкость, менее летуч, чем нитроглицерин), превосходит по мощности (теплоте взрывчатого превращения) нитроглицерин на 7%:

Взрывчатые свойства нитроизобутилтринитратглицерина были подробно изучены Штеттбахером A. (A. Stettbacher. Nitrocellulose, v. 5, 203, 1934), который показал, что это соединение является мощным бризантным взрывчатым веществом, и только отсутствие в то время широкой сырьевой базы не позволило внедрить этот продукт в вооружение (Е.Ю. Орлова. Химия и технология бризантных взрывчатых веществ. Л.: Химия. 1973; Л.М. Козлов, В.Н. Бурмистров. Нитроспирты и их производные. КХТИ им. С.М. Кирова, Казань, 1960). По чувствительности к механическим воздействиям (удару, трению и другим) нитроизобутилтринитратглицерин существенно благоприятнее нитроглицерина. Термодинамически совместим с высокомолекулярными каучуками повышенной полярности, образуя твердые растворы с t≤-50^oС - замерзания (стеклования).

Пример конкретного выполнения. Состав готовится следующим образом. Полибутадиеннитрильный каучук (5,9 мас. %) смешивают с нитроизобутилтринитратглицерином (32,6 мас.%), добавляют циклотетраметилентетранитроамин (54,5 мас. %), коллагеновый белок (3,0 мас.%), серу (2,0 мас.%), соль свинца (2,0 мас. %) и перемешивают в смесителе при температуре t=40÷45^oС в течение 1,5÷2 часов, далее отверждают при температуре t=40^oС.

В таблице приведены примеры реализации на образцах предлагаемого изобретения в сравнении с прототипом, как наиболее близком по компонентному составу заявленному объекту. Там же представлены характеристики образцов с содержанием компонентов за пределами заявляемого соотношения. Все пределы по компонентам находятся в непосредственной зависимости от приведенных пределов циклотетраметилентетранитроамина, поэтому предельное наполнение по компонентам рассмотрим на примере циклотетраметилентетранитроамина. Из таблицы пример 5 видно, что значение I_sp ниже значения прототипа, то есть если взять циклотетраметилентетранитроамин ниже указанных пределов, то получим значение I_sp ниже, а если взять циклотетрометилентетронитроамин выше заявленного предела, ТРТ не будет обладать приемлемыми реологическими характеристиками. То есть выше и ниже указанных пределов циклотетраметилентетранитроамин брать нецелесообразно.

Из примера 1 - 3 таблицы следует, что применение нитроизобутилтринитратглицерина в качестве энергетически активного жидкого высокоплотного пластификатора высокомолекулярного полимерного связующего в составе бездымного топлива позволяет существенно увеличить значение расчетного удельного импульса, плотности, а также объемного расчетного импульса (I_v= I_sp•ρ).
Техническим результатом предлагаемого изобретения является значительное повышение энергетических характеристик топлива (на 46,8 кгс/дм³•с), и то, что пределы сгорания не содержат галогеносодержащих компонентов, таких как HCl, HI, что исключает дымообразование и делает горение топлива бездымным.