Результат интеллектуальной деятельности: ГИПЕРГОЛЬНОЕ РАКЕТНОЕ ТОПЛИВО

Изобретение относится к области ракетно-космической техники, а именно к самовоспламеняющимся (гипергольным) топливным системам, которые включают горючее, растворенные в нем добавки и окислитель. Топлива такого типа применяются для решения широкого спектра задач: в маршевых двигателях, для ориентации космических аппаратов. Использование такого топлива позволяет повысить устойчивость сгорания компонентов, облегчить запуск и упростить конструкцию жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) из-за отсутствия системы зажигания.

Традиционно в ракетно-космической технике в качестве самовоспламеняющегося ракетного топлива используются горючие на основе ароматических и алифатических аминов в паре с азотнокислотными ракетными окислителями, например несимметричный диметилгидразин в паре с тетраоксидом азота и другие топлива. Также самовоспламеняющееся ракетное топливо может использоваться как пусковое горючее.

Вышеупомянутые пропелленты имеют отличные эксплуатационные характеристики с точки зрения удельного импульса, плотности, задержки воспламенения и надежности.

Однако использование таких самовоспламеняющихся топлив на практике связано со значительным риском из-за их чрезвычайной токсичности и коррозионной активности.

В качестве окислителя в составах самовоспламеняющихся топлив используют концентрированную азотную кислоту, которая является мощным окислителем благодаря большому содержанию в ней кислорода. От всех широко используемых окислителей она выгодно отличается большим удельным весом. Главный ее недостаток - высокая коррозийная активность по отношению к большинству материалов. Хранение и транспортировка ее производится с использованием специальных емкостей. Также азотная кислота ядовита. Попадание ее на кожу человека вызывает появление болезненных, долго не заживающих язв.

Для устранения указанных недостатков в составах самовоспламеняющихся топлив используют тетраоксид азота, являющийся более эффективным окислителем, чем азотная кислота. Топлива на ее основе имеют удельную тягу примерно на 5% больше, чем азотнокислотные. По отношению к материалам тетраоксид азота значительно менее агрессивен, чем азотная кислота, но более ядовит. Главный его недостаток - низкая температура кипения и высокая температура затвердевания, что резко уменьшает возможность его использования в ракетных топливах в чистом виде. Условия его применения улучшаются в смесях с другими оксидами азота.

В составах самовоспламеняющихся топлив применяют также жидкий фтор, который обладает лучшими окислительными свойствами, чем кислород. Из всех химических элементов он наиболее активен, вступая в соединения почти со всеми окисляющимися веществами при обычной комнатной температуре. Из-за своей исключительно высокой химической активности фтор со всеми горючими образует самовоспламеняющиеся смеси.

Однако фтор очень ядовит. Он сильно разъедает кожу, глаза, дыхательные пути. Поэтому в ракетной технике он пока используется только в опытных двигателях.

Известно также использование в указанных целях гидразина и его производных (метилгидразин, несимметричный диметилгидразин и их смеси - так называемого аэрозина) в паре с самыми разными окислителями сопровождаются со значительными трудностями эксплуатационного характера. Гидразин и большинство его производных очень токсичны и определены как канцерогены. Пары гидразина вызывают раздражение глаз, дыхательных путей, при повышении концентрации приводит к коме и смерти человека.

Хранение высокотоксичных топлив на борту летательных аппаратов в течение длительных космических полетов представляет собой серьезную угрозу безопасности.

В связи с этим создание самовоспламеняющегося топлива с гораздо меньшей токсичностью и сопоставимой эффективностью является актуальной задачей.

Известна топливная система, состоящая из высококонцентрированного пероксида водорода (ВПВ), силана и жидкого горючего. В зону горения подается ВПВ и силан. Происходит разложение пероксида водорода и воспламенение силана. После воспламенения в зону горения вводится горючее, а подача силана уменьшается и прекращается (Патент US 6807805, МПК С06 В47/02; C06D 5/08; F02K 9/42; 2004).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению и принятой нами в качестве прототипа является композиция четырехкомпонентного горючего для гипергольного топлива (Патент CN 102863994, МПК C10L 1/182; C10L 1/22; C10L 1/30; 2013). Компонентами топлива являются: этанол, пропанол, бутанол и авиационный керосин. Кроме того, в составе горючего используют алкилзамещенные алкамины, катализаторы - тетрагидрат ацетата кобальта, изооктоат кобальтата, ацетилацетонат кобальта, вспомогательные катализаторы: диалкилэтаноламины, растворители. Горючее не токсично, не склонно к старению и ухудшению, способно к использованию в жидкостных ракетных двигателях. Данное горючее в контакте с пероксидом водорода, имеющего высокую концентрацию (70-90%) можно использовать как гипергольное топливо. Под действием растворенного в этаноле катализатора происходит разложение пероксида водорода, что приводит к воспламенению горючего.

Недостатками данного изобретения является присутствие в топливной системе, помимо окислителя и горючего, дополнительно катализатора-инициатора, требующего отдельную линию подачи и хранения, что усложняет конструкцию и повышает стоимость ЖРД.

Задачей предлагаемого изобретения является создание перспективного топлива, обладающего малой токсичностью и самовоспламеняющегося при контакте с окислителем.

Указанная задача решается за счет того, что разработано гипергольное ракетное топливо, самовоспламеняющееся при контакте с окислителем, состоящее из горючего с пиротехнической добавкой и окислителя, отличающееся тем, что в качестве окислителя используют водные растворы пероксида водорода с концентрацией 81,5-98% мас., а в качестве горючего используют керосин с растворенной в нем пирофорной высокоактивной добавкой, содержание которой составляет 10-15% мас. от веса горючего, причем добавка представляет собой смесь, в состав которой входит 87% мас. триэтилбора и 13% мас. триэтилалюминия.

Результаты испытаний новой гипергольной топливной композиции отражены в следующих примерах.

На фиг. 1. показана блок схема экспериментального стенда с автоматизированной вытеснительной системой подачи компонентов.

Стендовая установка оборудована расходными баками хранения высококонцентрированного пероксида водорода 5 и керосина 6. Электроклапаны 1, 2, 9 и 10 обеспечивают подачу компонентов топливной системы через форсунки 13, 14 в камеру сгорания 15. Для измерения времени выхода на режим по температуре и давлению установка оборудована датчиками измерения давления наддува 3, 4, 11, 12, а также датчиками контроля температуры 7 и 8. Регулировку подачи сжатого азота для наддува компонентов, осуществляют через пульт управления, расположенный в помещении управления стендом.

На фиг. 2 приведена конструкция камеры сгорания, которая позволяет организовывать встречу распыленных в центробежных форсунках 16, 17 компонентов.

Пример 1

Для установления физической картины воспламенение распыленных компонентов организовали при нормальных условиях, в инертной газовой среде, в среде газообразного кислорода и вакууме. Процесс смешения и воспламенения фиксировали на кинокамере. Лучшее смешение компонентов топлива осуществляется при давлении наддува 3 атм., расход горючего 3,15 г/с, расход окислителя 4,5 г/с, расстояние между форсунками 40 мм, угол впрыска 45°. Концентрация высококонцентрированного пероксида водорода 93%.

Как показали эксперименты, при одной о той же концентрации пирофорной добавки в керосине (15% мас.) в инертной среде азота воспламенение не происходит, в кислородной среде реализуется надежное воспламенение. При распыливании компонентов центробежными форсунками происходит надежное воспламенение на воздухе с 12% пирофорной добавки, а в кислородной среде - при 9% масс. добавки в керосине.

Пример 2

Испытания воспламенения при разных концентрациях окислителя и пирофорной добавки в керосине, проводят в цилиндрической камере сгорания 20 без критического сечения. Эксперимент проводят только в атмосфере воздуха при нормальных условиях, без создания дополнительной инертной или окислительной среды. Концентрация ВПВ составляет 81,5% мас., 85,7% мас., 93% мас. и 98% мас., наддув осуществляют при помощи азота. Условия испытаний: давление наддува горючего - 5 атм., давление наддува окислителя - 8 атм., расход окислителя - 16 г/с, расход горючего - 17 г/с, были выбраны из условия лучшей картины распыла компонентов топлива из форсунок смесительной головки 18, 19. Схема смесительной головки и камеры двигателя показана на фиг 3.

Из приведенных данных видно, что надежное воспламенение при струйном смешении в цилиндрической камере, достигается при концентрации пирофорной добавки в керосине >9% мас., в атмосфере воздуха. Увеличение концентрации гипергольной высокоактивной добавки выше 20% мас., может привести к самовоспламенению горючего при контакте с воздухом, и ухудшению технологических и эксплуатационных свойств горючего из-за закоксовывания трубопроводов и форсунок оксидами алюминия и бора.

Результаты испытаний, показаны в таблице:

Технический результат состоит в том, что разработано и испытано новое гипергольное топливо, токсичность, коррозионная активность и эффективность которого приближается к характеристикам традиционных, не самовоспламеняющихся ракетных топлив. Используемый высококонцентрированный пероксид водорода не токсичен, образующаяся при разложении парогазовая смесь состоит из экологически чистых компонентов: кислорода и перегретого водяного пара. ВПВ можно хранить при нормальных условиях в алюминиевых емкостях, широко используемых в ракетно-космической технике, допускается кратковременный контакт с материалами из нержавеющей стали

Данное изобретение имеет высокий потенциал для применения в системах ориентации космического аппарата, маршевых ЖРД для вывода большей массы полезной нагрузки на орбиту.