Результат интеллектуальной деятельности: РАКЕТНОЕ ТОПЛИВО СТАРОВЕРОВА - 20 /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.

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 равна 1330 м/сек. А если еще и немного повысить температуру водорода, скорость звука резко возрастет. Например, водород с температурой всего 650°С (это ниже температуры его воспламенения) будет иметь скорость звука 2360 м/сек и сможет разогнать струю до скорости 2200 м/сек. То есть получится «холодный двигатель», в результате которого после адиабатического расширения газ может иметь приблизительно температуру окружающей среды.

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 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 выделяющегося газа с малым молекулярным весом - водорода. Свободный азот, вода и, особенно, «тяжелый» CO2 нежелательны.

Если в любое РТ добавляются бораны и/или боргидриды, то при температуре 800-1200°С происходит реакция образования нитрида бора:

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).

Однако возможна реакция образования не только нитрида бора, но и нитридов металлов. По теплотворной способности реакции с бором может состязаться только бериллий - удельная энтальпия образования нитрида бора - 10,18 кДж/г, а нитрида бериллия - 10,54 кДж/г.

Реакция образования нитридов 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.

ВАРИАНТ 1. Высокая энергетика реакции и достаточно большое выделение водорода будет у топлив, реализующих тройные (три компонента) двуэнергетические реакции (две тепловыделяющих реакции) боргидрида бериллия, и/или боргидрида лития, и/или боргидрида алюминия, и/или боргидрида лития-алюминия, и/или боргидрида кремния с окислителем, содержащим связанный азот, и с третьим компонентом - гидридом бериллия, и/или гидридом лития, и/или гидридом алюминия, и/или гидридом лития-алюминия, и/или гидридом кремния, и/или гидридом бора, где соотношение первых двух компонентов берется исходя из баланса «бор - азот», а затем количество третьего компонента берется исходя из баланса «кислород - металл и, если он есть в третьем компоненте, бор», а водород не окисляется и выделяется в результате реакции.

Наиболее логично использовать одинаковые металлы в первом и в третьем компонентах, но возможно сочетание разных металлов или металла и бора, например боргидрид бериллия, окислитель и гидрид лития-алюминия или боргидрид бериллия, окислитель и тетраборан.

Логичным будет также использование боранов в топливах, где первым компонентом является боргидрид алюминия или кремния, так как горение бора дает большее тепловыделение, нежели горение алюминия или кремния (по убыванию тепловыделения реально применимые элементы расположены так: бериллий, литий, бор, алюминий кремний, магний).

ПРИМЕР 1

При герметизации полости ракетного двигателя во время хранения (пат. №RU 2505700) возможна следующая реакция с пятиокисью азота:

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 20,88%±15%, пятиокись азота -56,6%±15%, гидрид бериллия - 23,12%±10% (здесь и далее - масс. %). Тепловыделение достаточно высокое - 17,76 кДж/г.

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.

ВАРИАНТ 2. Однако в качестве третьего компонента в предыдущем случае может быть взят первый компонент, и бор при этом будет не только связывать азот, а и являться горючим. То есть такое топливо реализует двухкомпонентную двуэнергетическую реакцию боргидрида бериллия, и/или боргидрида лития, и/или боргидрида алюминия, и/или боргидрида лития-алюминия, и/или боргидрида кремния с окислителем, содержащим связанный азот, где соотношение компонентов берется исходя из двух балансов: «азот-бор» и «кислород - металл плюс бор», а водород не окисляется и выделяется в результате реакции.

ПРИМЕР 2а

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 46,84%±15%, динитрамид аммония - 53,16%±15% (здесь и далее - масс. %).

ПРИМЕР 2б

Соотношение компонентов: боргидрид алюминия - 48,99%±15%, динитрамид аммония - 51,01%±15%.

Как сказано выше, такое топливо целесообразно в основном для боргидридов алюминия и кремния. Для лития оно нецелесообразно. Но так как литий плохо разделяется от алюминия, то с экономической точки зрения целесообразно использовать комплексное соединение - боргидрид лития-алюминия. В этом случае использование связанного диборана, находящегося в боргидриде, целесообразно.

ПРИМЕР 2в

Соотношение компонентов: боргидрид лития - 46,75%±15%, динитрамид аммония - 53,25%±15%.

Реакция боргидрида лития-алюминия представляет собой сумму реакций \4\ и \5\.

ВАРИАНТ 3. Как сказано выше, еще большей удельной энтальпией образования, чем нитрид бора, обладает нитрид бериллия. То есть такое топливо реализует двухкомпонентную двуэнергетическую реакцию гидрида бериллия с окислителем, содержащим связанный азот, где соотношение компонентов берется исходя из баланса «бериллий - азот плюс кислород», а водород не окисляется и выделяется в результате реакции. То есть на единицу добавленного бериллия тепловыделение составит 21,47 кДж/г (это несколько хуже, чем у бора - 23,37 кДж/г).

ПРИМЕР 3

Соотношение компонентов: гидрид бериллия - 44,96%±15%, пятиокись азота - 55,04%±15%. Тепловыделение несколько меньше, чем в реакции \2\ - 17,14 кДж/г (против 17,76 кДж/г).

ВАРИАНТ 4. Несколько большее тепловыделение можно получить в трехкомпонентном топливе, реализующем реакцию боргидрида бериллия, и/или боргидрида лития, и/или боргидрида алюминия, и/или боргидрида лития-алюминия, и/или боргидрида кремния с окислителем, содержащим связанный азот, и с третьим компонентом - бериллием, и/или литием, и/или алюминием, и/или кремнием, и/или бором, и/или магнием, где соотношение первых двух компонентов берется исходя из баланса «бор - азот», а затем количество третьего компонента берется исходя из баланса «кислород - металл и, если он есть в третьем компоненте, бор», а водород не окисляется и выделяется в результате реакции. Однако водорода в такой реакции выделится значительно меньше, чем в варианте 1.

ПРИМЕР 4

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 10,05%±5%, пятиокись азота - 45,25%±15%, магний - 44,70%±15%. Разумеется, если бы вместо магния использовать бериллий, тепловыделение было бы значительно больше. Но применение дешевых и нетоксичных кремния, алюминия, магния целесообразно в ракетных устройствах, где удельные показатели не очень существенны - в ракетных системах залпового огня, в ракетных глубинных бомбах, в стартовых ракетных ускорителях самолетов и ракет.

Как и в варианте 1, экономически целесообразно использовать одинаковые металлы в первом и в третьем компонентах. Рассмотрим некоторые варианты таких реакций.

СОЕДИНЕНИЯ БЕРИЛЛИЯ

Применение гидридов бериллия и алюминия известно в ракетной технике, но они применяются в других комбинациях и с другим количеством окислителя. Рассмотрим реакции наиболее энергетичных бериллия и боргидрида бериллия с другими окислителями (кроме нитрата аммония в прототипе, см. реакция \6\ в прототипе). При горении в кислороде бериллий дает наибольшую теплоту реакции - 23,91 кДж/г смеси.

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 35,27%±10%, динитрамид аммония (далее ДНА) - 56,52%±15%, бериллий - 8,21%±5%.

При герметизации полости ракетного двигателя возможна следующая реакция с пятиокисью азота:

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 21,18%±10%, пятиокись азота - 59,10%±15%, бериллия - 19,72%±10%. Возможна реакция боргидрида бериллия с нитратом бора и бериллием:

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 18,00%±15%, нитрат бора - 61,04%±20%, бериллий - 20,96%±10%.

Возможна реакция боргидрида бериллия и гидрида бериллия с нитратом бериллия:

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 18,63%±15%, нитрат бериллия - 64,02%±20%, бериллий - 17,35%±10%.

Возможна реакция с нитратом аммония:

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 28,30%±15%, нитрат аммония 58,53%±20%, бериллий - 13,17%±10%.

В гибридном двигателе возможна реакция с азотной кислотой:

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 18,45%±10%, азотная кислота - 60,08%±15%, бериллий - 21,47%±10%.

С недавно открытым веществом N3O6 возможна реакция:

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 24,53%±10%, шестиокись азота -58,33%±15%, бериллий - 17,14%±10%.

СОЕДИНЕНИЯ ЛИТИЯ-АЛЮМИНИЯ

Более дешевой химической реакцией может быть также тройная (участвуют три компонента) двуэнергетическая (идут две энергетических реакции: кислород-металл и азот-бор) 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.

Соотношение компонентов: боргидрид лития - 36,46%±10%, динитрамид аммония - 51,92%±15%, литий - 11,62%±5% (здесь и далее - масс. %).

Или возможна такая же реакция с алюминием:

Соотношение компонентов: боргидрид алюминия - 37,33%±10%, динитрамид аммония - 48,58%±15%, алюминий - 14,09%±5%.

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

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 37,12%±10%, динитрамид аммония - 49,38%±15%, литий и алюминий (здесь и далее - сплав в соотношении атомов 1:1) - 13,50%±5%.

Возможна реакция с более доступным нитратом аммония безводным:

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 29,04%±10%, нитрат аммония - 49,84%±15%, литий и алюминий - 21,12%±10%. Высокоэнергетична реакция с пятиокисью азота:

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 20,96%±10%, пятиокись азота - 48,54%±15%, литий и алюминий - 30,50%±10%.

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 12,30%±10%, нитрат бора - 51,91%±15%, литий и алюминий - 35,79%±10%.

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 17,64%±10%, нитрат бериллия - 50,30%±15%, литий и алюминий - 32,06%±10%.

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 18,12%±10%, азотная кислота - 48,95%±15%, литий и алюминий - 32,93%±10%. С недавно открытым веществом N3O6 возможна реакция:

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 24,61%±10%, шестиокись азота - 48,55%±15%, литий и алюминий - 26,84%±10%.

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 кремний с разными окислителями.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 28,79%±10%, нитрат аммония безводного - 52,71%±15%, кремний - 18,50%±10%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 36,50%±10%, динитрамид аммония - 51,78%±15%, кремний - 11,72±10%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 21,03%±10%, пятиокись азота - 51,95%±15%, кремний - 27,02±10%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 12,39%±10%, нитрат бора - 55,78%±15%, кремний - 31,83%±10%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 17,70%±10%, нитрат бериллия - 53,87%±15%, кремний - 28,43±10%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 18,22%±10%, азотная кислота - 52,52%±15%, кремний - 29,26±10%. С недавно открытым веществом N3O6 возможна реакция:

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 24,58%±10%, шестиокись азота - 51,73%±15%, кремний - 23,69±10%.

Все перечисленные водородовыделяющие РТ значительно повысят обороноспособность нашей страны.

Комбинируя различные компоненты, можно в некоторых пределах управлять скоростью реакции.