Результат интеллектуальной деятельности: УНИВЕРСАЛЬНЫЙ КАТАЛИЗАТОР ГОРЕНИЯ БАЛЛИСТИТНЫХ ТВЕРДЫХ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ (БТРТ)

Данное изобретение относится к области разработки баллиститных ракетных твердых топлив (БРТТ) с улучшенными баллистическими характеристиками.

Изобретение относится к разработке высокоэффективного катализатора горения БТРТ для повышения возможности регулирования величины скорости горения (U) БТРТ и снижения зависимости ее от давления в широком его диапазоне 1-40 МПа и от начальной температуры заряда (Т₀).

Для регулирования баллистических характеристик было предложено использовать катализаторы совместно с углеродом (сажей) [1-4].

В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) принят катализатор, использованный в составе топлива, предложенного в патенте [5]. Он состоит из свинцовой и медной солей салициловой, фталевой кислоты либо их смесей с никелевой солью салициловой, фталевой или других кислот в сочетании с углеродом в виде сажи, наиболее эффективной в плане катализа горения является сажа марки КГО-250 [6].

Предложенный в [5] катализатор обладает высокой эффективностью действия, что позволяет получать топлива с повышенной энергетикой (3978 - 4815 кДж/кг) с различной скоростью горения (например, 10,5-32 мм/с при давлении 10 МПа), с низким значением ν=0,1-0,2 в различном интервале давления. Однако, из [5] не ясно, можно ли с помощью предложенного в нем катализатора эффективно влиять на скорость горения топлив с более высокой энергетикой, а также на горение низкокалорийных (низкотемпературных) составов для газогенераторов.

С 90-х годов в нашей стране не выпускается высокодисперсный углерод КГО-250, а как показали наши исследования другие ее марки значительно менее эффективны [6].

Технической задачей изобретения является разработка универсального высокоэффективного катализатора горения баллиститных топлив различного состава и калорийности для существенного (до 3-10 раз) увеличения скорости горения и уменьшения зависимости ее от давления и от начальной температуры заряда в различном интервале давления.

Поставленная задача достигается тем, что различные катализаторы вводятся в топливо в сочетании с углеродными нанотрубками (УНТ) марки Таунит-МД (Т-МД) в различном их соотношении.

Предлагаемый катализатор расширяет возможности регулирования величины скорости горения и уменьшения зависимости ее от давления в различном интервале давления топлив.

Изготовление образцов топлива осуществляется по принятой для баллиститных топлив технологии: смешение всех компонентов проводится в водной среде при модуле 1:6-1:10, сначала при температуре 20°С, а затем при 50°С с последующим отжимом топливной массы до влажности 15-25 мас. % и вальцеванием ее при температуре 70-90°С, сушкой полуфабриката до влажности 0,5-1,0 мас. % и прессованием изделий (зарядов) на гидравлическом прессе при температуре 80-95°С и давлении до 30 МПа.

Катализатор с УНТ или сажей вводится в состав топлива за счет пропорционального уменьшения всех компонентов. Состав базовых топлив приведен в таблице 1. Основные свойства топлив с предлагаемым катализатором представлены в таблицах 2-13.

Скорость горения определяется в приборе постоянного давления (ППД). Эффективность влияния катализаторов оценивали величиной Z_τ=U_k/U₀, где Uk - скорость горения топлива с катализатором, U₀ - скорость горения базового топлива, τ - значение давления (МПа), для которого вычислено значение Z.

От прототипа предлагаемый катализатор отличается тем, что в комбинированном катализаторе вместо углерода используются УНТ. Особенности УНТ по сравнению с сажей заключаются в том, что они сами более значительно, чем сажа, увеличивают скорость горения топлив различного состава (табл. 2-3). Так, 1,5% УНТ увеличивают скорость горения низкокалорийного топлива 2 в 2 раза при давлении 2 МПа, снижая значение v от 0,83 до 0,60; в случае высококалорийного топлива 4 скорость горения увеличивается в 1,8 раза и значение v снижается от 0,76 до 0,58. В результате этого существенно увеличивается эффективность влияния предлагаемых катализаторов.

В таблице 4 приведены результаты по влиянию на скорость горения низкокалорийного (Q_ж=2181 кДж/кг) топлива одних и тех же катализаторов (салицилаты меди (СМ) и никеля (СН)) в сочетании с УНТ и с сажей УМ-76, для сравнения. Видно, что катализаторы с УНТ оказывают большее влияние на скорость горения этого состава, чем с сажей. Так, при давлении 2 и 10 МПа СН с УНТ увеличивают скорость горения в 7,2 раза, и в 3,7 раза совместно с салицилатом меди, снижая значение v почти в 2 раза (от 0,86 до 0,47) в интервале давления от 1 до 15 МПа. Ввод сажи приводит к увеличению скорости горения в 3,7 и 1,6 раза, соответственно.

В таблице 5-7 приведены результаты по влиянию на скорость горения низкокалорийного (Q_ж=2518 кДж/кг) топлива предлагаемого катализатора с Т-МД и, для сравнения, данные для тех же катализаторов с сажей УМ-76. При добавлении 1,5% углеродных нанотрубок к 3% салицилата никеля скорость горения увеличивается в 5,2 раза при давлении 2 МПа, показатель степени v при этом равен 0,52. С увеличением содержания катализатора до 6% и Т-МД до 2% значение v снижается до 0,44. Исследования в области высокого давления показали, что участок «плато» для катализатора с 1,5% Т-МД имеется в интервале давления 15-30 МПа (v=0,04).

Ввод неорганической соли - карбоната никеля не приводит к увеличению скорости горения. Добавление 1,5% сажи оказывает незначительное влияние на скорость горения, при этом значение v равно 1,18. Ввод 1,5% Т-МД оказывает значительное влияние на эффективность действия NiCO₃ - скорость горения увеличивается в 4,4 раза (при 2 МПа) и в

2,6 раза (при 10 МПа), значение ν снижается до 0,54 в интервале 1-8 МПа и до 0,35 при давлении выше 8 МПа.

1,5% Т-МД более эффективно влияют на предлагаемый катализатор топлива средней калорийности (топливо 3, Q_ж=3765 кДж/кг), увеличивая скорость горения в 2,8-2,4 в интервале давления 2-10 МПа (таблица 8). Сажа в количестве 1,5% увеличивает скорость горения лишь в 1,2-1,4 раза в том же интервале давления.

В таблицах 9-10 приведены данные по влиянию углеродных нанотрубок (1-2,5%) на салицилаты меди и никеля. Наибольшая эффективность достигается при вводе 6% комбинированного катализатора (салицилат меди + салицилат никеля) в сочетании с 2% Т-МД: значение ν снижается до 0,38 в интервале давления 1-15 МПа, скорость горения увеличивается более чем в 5 раз при давлении 2 МПа и ~ в 3 раза при давлении 10 МПа. Аналогичный ввод сажи вместо Т-МД оказывает значительно меньшее влияние на закономерности горения топлива 4.

В таблице 11 приведено сравнение действия отечественных УНТ марок «Таунит-М» (Т-М) и «Таунит-МД» на предполагаемый катализатор горения топлив различной энергетики. Наибольшая эффективность достигается при действии на низкокалорийное топливо, при горении которого возможности образования углеродного каркаса на поверхности наиболее благоприятные [7]. Т-МД более эффективно действуют на катализатор, чем Т-М, значительнее увеличивая скорость горения топлив различной энергетики.

В таблице 12 приведены результаты по влиянию катализатора совместно с сажей и Т-МД на скорость горения топлива 4, содержащего в своем 5% металлического горючего ПАМ-4 и 1% модификатора фторопласт-4. Углеродные нанотрубки оказывают большее влияние на действие катализатора, снижая показатель степени ν до 0,35 (при использовании сажи - 0,40), и более значительно увеличивая скорость горения.

В таблице 13 приведены результаты по действию фталата меди-свинца в сочетании с углеродными нанотрубками на скорость горения топлива 4, содержащего в своем составе 20% взрывчатого вещества (ВВ). Ввод 20% ВВ приводит к снижению скорости горения на 30% во всем интервале изученного давления. Ввод катализатора вместе с Т-МД увеличивает скорость горения при 2 МПа в 2,9 раза, а при 10 МПа - в 1,8 раза. Показатель степени в законе горения v снижает от 0,76-0,79 до 0,40.

В таблице 14 приведены скорости термического разложения топлива 4 с 2,5% сажи и Т-МД, а также с катализатором и Т-МД при температуре 120°С. Отношение скорости разложения топлива с добавками к скорости разложения базового топлива выражается величиной Y=W_доб/W₀. Для всех добавок рассчитанная степень разложения η=1-е^-кτ при 20°С за 20 лет не превышает 0,02%.

Составы с катализатором обладают достаточными технологическими характеристиками (таблица 15) - коэффициент технологичности Кт=σ_ср/τ_μ в интервале температур 60-80°С для образца с 5% катализатора с 2% Т-МД равен 3,3-3,5; а с 6% катализатора с 2% Т-МД равен 2,9-3,0, т.е. показывает возможность переработки проходным прессованием.

Список литературы

1 Денисюк А.П., Козырева Т.М., Хубаев В.Г. О влиянии соотношения между PbO и сажей на скорость горения баллиститного пороха // Физика горения и взрыва. 1975. Т. 11. №2. С. 315-318.

2 Денисюк А.П., Марголин А.Д., Токарев Н.П., Хубаев В.Г., Демидова Л.А. Роль сажи при горении баллиститных порохов со свинец содержащими катализаторами // Физика горения и взрыва. 1977. Т. 13. №4. С. 576-584.

3 Pat. US №3033717, Gas producing charge / Preckel Ralph.F. 08.05.1962.

4 Е.Ф. Жегров, Ю.М. Милехин, E.B. Берковская, Химия и технология баллиститных порохов, твердых ракетных и специальных топлив. Т. 1. Химия: Монография - М. РИЦ МГУП им. И. Федорова, 2011. - 400 с.

5 RU 2169722 Рос. Федерация. Баллиститное ракетное твердое топливо / Жегров Е.Ф., Михайлова М.И., Гаврилова Л.А. [и др.]; патентообладатель ФЦДТ "Союз" - №99109175/02; заявл. 28.04.1999, опубл. 27.06.2001.

6 Денисюк А.П., Шепелев Ю.Г., Телепченков В.Е., Киселев И.А., Сизов В.А. Эффективные катализаторы горения для высокоэнергетических баллиститных ТРТ // Боеприпасы и спецхимия. 2013. №3. С. 145-148.

7 Денисюк А.П., Демидова Л.А. Особенности влияния некоторых катализаторов на горение баллиститных порохов // Физика горения и взрыва. 2004. Т. 40. №3. С. 69-76.