Страница 1 из 11
Модератор форума: frai 
Форумчик » Пиротехника » ТОСы » ракетные топлива
ракетные топлива
leon2000Дата: Понедельник, 12.01.2009, 21:56 | Сообщение # 1
Admin
Группа: Администраторы
Сообщений: 406
Статус: Offline
Ракетное топливо

Привет всем! Вот рецепт ТРТ на основе NH4NO3, як обещал.
Берём 72 грамма нитрата аммония и растворяем примерно в 40 мл, воды. Раствор доводим до кипения и присыпаем 7 грамм дихромата калия. Тщательно растираем комочки дихромата. Когда весь дихромат растворится, добавляем 21 грамм алюминиевой пудры. Пудра, естественно, почти не смочится и будет плавать на поверхности. Раствор охлаждаем где-то до 95 градусов. Теперь приливаем (лучше быстро) 20 грамм ацетона. Ацетон закипит, поэтому рядом не должно быть огня. Вообще всё это лучше делать на свежем воздухе . Значительная часть серебрянки разойдётся. Активно перемешивая, доводим температуру раствора до 60-64 градусов. Теперь приливаем ещё 35-40 мл ацетона (быстро, дабы он опять не закипел). Перемешиваем. Ставим сушиться до состояния вроде слегка влажной муки (лучше всего на подносе из нержавейки на солнышке). Как просушится (каждый день желательно ложкой раздавливать комочки смеси), складываем всё это в ковшик стоим его в слегка подогретую (до 100-105 градусов) духовку минут на пять. Вытаскиваем его, ещё горячую смесь запихиваем в герметичную посуду. Охлаждаем. ВСЁ!
Тянет оно почти как карамелька. Особенно если делать очень тщательно. Его основные недостатки – гигроскопичность и относительная сложность приготовления. Зато оно гораздо дешевле карамели (по крайней мере, в моих краях).
По взрывчатым характеристикам далеко в ж..е оставляет обычный аммонал. Критический диаметр около 25-28 мм. Бризантность и фугасность тоже выше.
При горении выделяет значительное количество дыма (скорее всего, ядовитого из-за присутствия соединений хрома). И даёт очень яркое белое пламя («зайчики» в глазах задолбали ).
Да, чуть не забыл. Ещё один недостаток состава – плохо воспламеняется. Практически все отказы именно из-за неполного воспламенения.

Alhim:

Рецепт ракетного топлива:

Калийная селитра 63%
Калий железосинеродистый 37%

По мощности как карамелька! Также мотор с соплом. И эти два компонента перемешиваются в шаровой мельнице! И запрессовываются как карамелька!

Звук -РОКОТ ДВИГАТЕЛЯ!

Вот второй состав который на стадии разработки!

Калийная селитра 65% (но лучше перхлорат калия или аммония)
Сахар/сорбит(50на50) 25%
Дихромат калия (катализатор) 2%
Гомогенизированная сера 4%
Калий железосинеродистый 4%
НЦ +2%

Скорость горения сумасшедшая, ровная, и с большим выделением газов. Ведутся разработки на основе селитры калия и роданида калия. Топливо обладает восстановительным свойством и не перегорают сопла!

Вадим Оса
Итак, предположим, что вы не только занимаетесь строительством ракет, но и конструированием ракетных двигателей или разработкой новых альтернативных твёрдых ракетных топлив. Конечно вы можете использовать предложенные вам ракетные топлива, которые уже давно открыты и используются, но согласитесь было бы гораздо приятнее, если бы вы знали на каких основах создаются все эти топлива и как они работают. Я не предлагаю читать вам эту статью, если вам это не интересно, но всё же она могла бы вам пригодиться. Данная статья больше предназначена для химиков, которые занимаются разработкой ракетных топлив и для тех, кто занимается конструированием ракетных двигателей. Так что смотрите сами.

Итак мы знаем, что эффективность топлива определяется его удельной тягой - показатель по которому судят о том, какой суммарный импульс можно получить, сжигая 1кг топлива:



Суммарный импульс - произведение тяги на время работы двигателя.



Проще говоря, эффективность топлива определяется тем, что какую можно получить тягу сжигая определённое количество топлива в единицу времени.

Мы знаем, что, чем больше давление в камере сгорания, тем сильнее и интенсивнее газы вырываются из сопла, и, следовательно тяга двигателя увеличивается. Ещё мы знаем, что при повышении температуры также увеличивается давление газов, и, следовательно тяга двигателя тоже увеличивается. Следуя из всего этого можно сказать о том, что топливо с предельными значениями удельной тяги должно иметь по возможности максимальную температуру сгорания, при этом молекулярный вес его продуктов сгорания должен быть по возможности минимальным.

Например топливо, на котором работают твёрдотопливные ускорители шаттла состоит из перхлората аммония (NH4ClO4), полиурета, порошка алюминия и оксида железа (Fe2O3) - он здесь участвует как катализатор горения, практически не влияя на удельную тягу топлива. Порошок алюминия вводится с тем, чтобы повысить энергетические характеристики топлива, но не все понимают как повышаются эти характеристики.

Итак, перхлорат аммония при температуре разлагается, но при различных температурах по-разному. При высоких температурах он разлагается, отдавая практически весь кислород, который идёт на окисление горючего (полиуретана). При этом образуются преимущественно такие продукты, как CO, CO2, N2, H2O, HCl, ну и небольшие примеси других продуктов. Плотность CO (угарный газ) ниже плотности CO2 (углекислый газ), а значит при обычных условиях он занимает больший объём, чем CO2 , а при повышении температуры объём газов увеличивается. Так что можно сказать, что целесообразно использовать такое сочетание компонентов топлива, при котором бы основным продуктом сгорания был СО.

Теперь давайте обсудим алюминий - зачем он нужен?. Наверняка из курса химии вы знаете, что алюминий обладает высокой теплотой сгорания, и это одна из причин по которым его вводят в состав ракетных топлив, но она не самая главная. Ещё вы должны знать, что полном его взаимодействии с водой, конечными продуктами будут являться Al2O3 и H2 - да, именно водород, именно он значительно повышает энергетические характеристики топлива, и не подумайте пожалуйста, что он играет здесь роль горючего. Дело в том, что водород самый лёгкий элемент в таблице Менделеева, и при обычных условиях он занимает огромный объём. Да если еще учесть, что алюминий значительно увеличивает температуру сгорания топлива, то в итоге давление в камере создаётся огромное, поэтому данное топливо считается одним из лучших, на данный момент. Конечно это топливо далеко от идеального, но это уже другой вопрос.

Давайте теперь рассмотрим топливо, которое я разработал не так давно. Точнее я его доработал, т.к. использовать сорбит в качестве связующего, придумал не я. Наверняка вы читали про "Мощную карамельку" - как я её назвал, и видели, что в его состав входит сера. Там я вкратце описал зачем она нужна, но давайте рассмотрим подробнее. Итак воспроизведём уравнение горения:

6C6H14O6 + 26KNO3 +13S = 13K2S + 36CO2 + 13N2 + 42H2O (теоретически)

В этом уравнении я не учитывал взаимодействия CO2 с H2O или H2O с К2S, я предпочитаю сначала рассматривать теоретический механизм реакции, потому что реакция на самой ранней стадии протекает именно в таком направлении, и только потом продукты взаимодействуют друг с другом давая уже другие продукты сгорания. Как я уже говорил, сера здесь вытесняет атом кислорода, благодаря чему увеличивается энергетический выход реакции, и образуется гораздо больший объём газообразных продуктов. А в отличии от KOH, который образуется при сгорании обычной карамельки, К2S практически не взаимодействует с CO2, сохраняя его объём в камере Р.Д. Всё это способствует значительному увеличению удельной тяги топлива и делает это топливо весьма мощным, по сравнению с обычной карамелькой. Мощная карамелька весьма высококалорийное топливо, т.е. обладает высокой температурой сгорания, что делает его более эффективным, но есть минусы: оно может прожечь корпус двигателя, если он сделан из недостаточно пропитанной смолой, бумаги. Так же оно весьма сложное в изготовлении и не совсем подходит для малых двигателей, но идеально для больших. Из него неплохо делать топливные шашки от 100гр. Причиной, по которой его нельзя успешно применять при изготовлении малых двигателей, является его низкая пластичность. Его нельзя перегревать, из-за того что сера просто расплавится и топливо станет негомогенным, и это его основная проблема. Ну ладно, об этом вы прочитаете в соответствующей статье.

Давайте теперь рассмотрим обычную карамельку, уравнение горения которой предложил Ричард Накка.

C6H14O6 + 3.345 KNO3 -> 1.870 CO2 + 2.490 CO + 4.828 H2O + 2.145 H2 + 1.672 N2 + 1.644 K2CO3 + 0.057 KOH (практически)

Мне не нравится одна вещь в его реакции. По его уравнению образуется KOH, но это соединение не может образоваться, потому что он сразу провзаимодействует с CO2 и превратится в K2CO3, тем более при такой высокой температуре. Хочу также заметить, что ещё не известно в коком направлении пойдёт реакция CO2 + H2O, дело в том, что при различных температурах и давлении она может протекать в различных направлениях: с образованием таких продуктов, как CH3OH, CH2O, CH3COOH, H2 и др. Для того чтобы CO2 провзаимодействовал с H2O с образованием элементарного H2 нужна очень высокая температура, которою не может дать это топливо. Так что не совсем бы правильно было утверждать, что образуется только H2, а тепловые характеристики обычной карамельки ниже, чем мощной. Есть ещё некоторые причины, которые делают это топливо низкоэффективным:

Во-первых: В продуктах образуется KOH, который поглощает большое количество СO2, в результате чего количество выделяющихся газообразных продуктов уменьшается.

Во вторых: На окисление сорбита KNO3 отдаёт только два атома кислорода, из-за чего значительно уменьшается эффективность топлива.

В третьих: из-за сравнительно низкой температуры сгорания топлива, реакция протекает не совсем в том направлении, в котором хотелось бы.

Ну у этого топлива есть большие плюсы: оно лёгкое в изготовлении, а из-за высокого содержания сорбита оно сохраняет высокую пластичность достаточно длительное время, при достаточно сильном нагревании его легко можно залить в корпус без особого труда.

Вообще хочу сказать, что хоть карамелька и считается лучшим среди ракетомодельного дела, топливом, но всё же она не достаточно эффективна, если конечно заниматься серьезной разработкой двигателей. Я тоже раньше много работал с обычной карамелькой, но в конечном счёте дошёл до мощной. Обычная карамелька отлично подойдёт начинающим ракетомоделистам, но профессионалам в этой области я всё же рекомендовал бы попробовать мощную. О ней вы прочитаете в соответствующем разделе, а сейчас всё же давайте вёрнёмся к теории.

После всех этих рассуждений вы наверняка зададите вопрос: "А почему бы не ввести тот же алюминий в состав обычной карамельки?" В химии есть такое понятие, как энергия активации - энергия, которую необходимо затратить, чтобы система стала способна к осуществлению реакции (стала активной). В данном случае, как я говорил, обычная карамелька является весьма низкокалорийным топливом и энергетический выход реакции не позволяет, чтобы полностью активировать комплекс {Al + H2O + CO + CO2}, и поэтому введение порошка алюминия только снизит эффективность топлива. Ну хорошо, раз в обычную нельзя, почему же не попробовать в мощную - отвечу: из-за серы, которая будет образовывать с алюминием побочный продукт Al2S3, который тоже снизит эффективность топлива. Но сейчас я всё же экспериментирую с этим топливо с добавкой алюминия, ведь всё же не совсем знаешь что получиться на практике, результаты испытаний потом опубликую.

Ещё хочу сделать заметку про катализаторы горения. В случае мощной карамельки, использование их неуместно. В случае обычной карамельки, можно применить соли меди, не содержащие кристаллогидратов, но и то, в случае конструирования особо больших двигателей. Для хлоратов и перхлоратов применяют различные соединения переходных металлов, например Fe2O3, который значительно увеличивает скорость горения топлива, при его содержании в исходной смеси всего 0,5%. Но для приготовления топлива для двигателей на модели ракет он не используется, т.к. перхлоратное топливо само по себе обладает солидной скоростью горения и очень высокими энергетическими характеристиками.

Вобщем хочу сказать одно: ракетные топлива - дело весьма тонкое, чем кажется на первый взгляд, а модификаций и их разновидностей очень много. И выбор ракетных топлив ограничивается не только их составом и свойствами, но ещё и рядом других характеристик.


Основные специфические требования, предъявляемые к твёрдым Р. т.:

Равномерность распределения компонентов и, следовательно, постоянство физико-химических и энергетических свойств в блоке, устойчивость и закономерность горения в камере РД, а также комплекс физико-механических свойств, обеспечивающих работоспособность двигателя в условиях перегрузок, переменной температуры, вибраций, и это очень важно учитывать при конструировании любительских ракетных двигателей.

Также топливо должно отвечать основным экологическим нормам и, по возможности, иметь низкотоксичные продукты, безопасные для окружающей среды и живых существ, чего нельзя сказать о перхлоратном топливе.

Лично я думаю, что в будущем несомненно появятся новые виды топлив, которые будут значительно превосходить по своим характеристикам, те, которые имеются на данный момент.

Но нас, химиков, пиротехников и ракетостроителей, это пока не особо затрагивает, но это только пока. В будущем всё возможно. Уже разрабатываются двигатели с использованием альтернативных источников энергии, например плазменный двигатель уже практически разработан и сейчас ведутся его испытания, также испытываются элементарные компоненты ионного двигателя. Удельная тяга таких двигателей в тысячи и десятки тысяч раз превосходит удельную тягу двигателей, использующих химическую энергию. Но даже эти двигатели, которые сейчас нам кажутся фантастическими, в далёком будущем тоже утратят своё значение, и уступят место другим, которые сейчас существуют лишь теоретически.

От автора: Я изложил в этой статье самое главное и простое, что необходимо знать о ракетных топливах, главным образом о твёрдых, и думаю, что эта информация будет вам полезна, для вашего дела. Вообще о ракетных топливах написаны целые книги, но большинство этих книг предназначены лишь для профессионалов, которые строят настоящие ракетоносители, и без хороших знаний математики и законов внешней и внутренней баллистики изучить их будет весьма проблемно. Хочу сказать, что я писал эту статью лично от себя, основываясь на собственных теоретических знаниях, и думаю, что здесь вам всё понятно.

"Мощная карамель"

Состав №1: 60% (9KNO3) + 30% (9СОРБИТА) + 10%(9S)9 - более высокая пластичность

Состав №2: 63% (KNO3) + 27% (СОРБИТА) + 10%(S) - максимальная удельная тяга

Это ракетное топливо является новой и значительно более усовершенствованной разновидностью сорбитового топлива. Его более высокая скорость горения и высокий удельный импульс, позволяют использовать его как в средних, так и в больших ракетных двигателях. Разработано оно было мною недавно, т.е. доработано, т.к. использовать сорбит в качестве связующего придумал не я. Однако подобные ему составы были опубликованы на некоторых веб-страничках Интернета. Но они так и не стали популярными среди ракетостроителей. И я думаю, что вы знайте почему.

В состав нового сорбитового топлива входит сера, которая участвует в реакции горения:

6C6H14O6 + 26KNO3 +13S = 13K2S + 36CO2 + 13N2 + 42H2O (теоретически)

На самом деле реакция протекает по более сложному механизму, по окислительно-восстановительным свойствам элементов можно утверждать, что в самом начале, реакция будет протекать именно по простому механизму, а уже потом продукты реакции будут взаимодействовать между собой, давая уже другие соединения . Правильное соотношение компонентов обеспечивает высокую эффективность этого топлива. Данное топливо обладает сравнительно высокими энергетическими характеристиками. Дело в том, что сера участвует здесь как восстановитель и вытесняет оставшийся атом кислорода из молекулы K2O, вследствие чего увеличивается энергетический выход реакции. К тому же K2S не забирает СO2, как это делает K2O. Выделяющейся энергии хватает на то чтобы сместить равновесие в сторону образования таких низкомолекулярных продуктов, как CO и H2. Это способствует значительному увеличению удельной тяги топлива. Таким образом КПД двигателя в среднем повышается на 15 - 20% (по грубым прикидкам), а может и больше. Так что можно сказать что данное ракетное топливо является достойной заменой пороху и обычной карамели.

Недостатками этого топлива по сравнению с обычным сорбитовым, являются: сложность в изготовлении, низкая пластичность, невозможность заливки состава в корпус двигателя, быстрая скорость затвердевания, при недостаточном нагревании сорбита топливо быстро затвердевает. Опыт показал, что данное топливо хорошо приготавливать и использовать в холодное время года, так как влажность в воздухе значительно ниже, чем в летнее время. Пожалуй самой главной проблемой этого топлива является быстрая скорость затвердевания и невозможность заливки топлива прямо в корпус двигателя. Ещё у этого топлива есть очень неприятная вещь - при недостаточном уплотнении массы внутри топливного заряда образуются пустоты, что сильно сказывается на равномерности горения всего заряда. Проще говоря, структура становится пористой, что способствует возникновению аномального горения - неустойчивое прерывистое горение, вызванное уменьшением подвода тепла к непрореагировавшему топливу, длящееся от нескольких долей до 2 секунд. Особенно эта проблема характерна только для малых двигателей, с зарядом топлива 30 - 35 грамм - запрессовка "Мощной карамели" в такие двигатели - работа весьма кропотливая и сложная, ну а на больших двигателях такая вещь практически не сказывается, т.к относительно всего объёма топлива воздушные пустоты незначительны. Хоть это топливо и быстро затвердевает, но эту проблему можно легко устранить, поставив ёмкость с топливом на разогретую песчаную баню. Это очень удобный способ, ну смотрите не переборщите с температурой, а то сера в топливе расплавится и смесь станет неоднородной.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ

По началу, при его изготовлении, возникали серьёзные проблемы. Трудно было найти баланс между температурой плавления сорбита и температурой плавления серы, а при смешивании расплавов обоих компонентов топливо получалось крайне не однородным. Был рассмотрен вариант с использованием глицерина, чтобы масса сохраняла пластичность длительное время. Но использование глицерина приводило к снижению прочности топливной шашки и повышенной гидроскопичности.

Сорбит при сильном нагревании и последующим охлаждении затвердевает не сразу и сохраняет пластичность достаточно длительное время, которого хватает на заправку 2 - 3 небольших двигателей. Сорбит должен быть разогрет до достаточно высокой температуры (около tкип). Когда я его разогреваю до такой температуры, то он немного дымит, становится прозрачным (слегка желтоватым), и на дне образуются небольшие пузырьки, что свидетельствует о начале кипения.

Перед тем, как вы начнёте плавить сорбит следует заранее приготовить все компоненты.

1. Сначала отвесьте необходимую порцию сорбита и отложите его подальше от места работы

2. Далее вам нужно будет измельчить нитрат калия. Перед помолом его следует тщательно просушить, можно на батарее, но я просушивал в печке при t ≈ 2000C, больше этой температуры нельзя, т.к. начинается его плавление и затем разложение. Просушенный нитрат калия легче измельчается и меньше прилипает к стенкам электрокофемолки, нежели влажный. Помол я производил в электрокофемолке где-то секунд 40. Если он прилип к стенкам, то его можно соскоблить ватными палочками или руками, только не голыми, а используя одноразовые перчатки.

3. После помола отвесьте необходимую порцию селитры и поместите в чистую баночку, я использовал пластиковую, т.к. к стеклу он у меня прилипал.

4. Затем вам нужно отвесить серу.

Сера, которая я используется в топливе, содержит уголь в следующем соотношении: 100% (S) + 5% (С) (по массе).
При использовании угля масса образует меньше комочков, становится более рассыпчатой и практически не прилипает к стенкам электрокофемолки во время помола. Однако нужно молоть с перерывами, чтобы сера не расплавилась от излишнего трения. После помола она остаётся сильно наэлектризованной и будет образовывать комочки. Как я заметил, требуется достаточно длительное время, чтобы сера стала рассыпчатой после помола, так что производить её помол следует заранее.

5. Только после того, как вы всё отмерили можно плавить сорбит. Для этих целей я использовал мою любимую миниатюрную печь, но когда у меня её не было я обходился плитой. Сорбит помещается в металлическую ёмкость, а лучше в ёмкость из нержавеющей стали (лично я использую кружку из нержавейки, которую я приобрёл в магазине "Всё для рыбалки и охоты") и нагревается до температуры, приближённой к температуре его кипения.

6. Затем в него добавляется мелкоизмельчённый и просушенный нитрат калия (калийная селитра). Перед тем как вы её будете засыпать, хорошенько встряхните пузырёк с селитрой, чтобы она стала более рассыпчатой.

7. Смесь перемешивается до полной однородности. При таком соотношении селитры и сорбита смесь начинает быстро затвердевать, поэтому вам придётся снова разогреть содержимое стакана, до тех пор пока смесь не станет пригодной к перемешиванию.

8. После того как смесь остынет до температуры, которая ниже температуры плавления серы, в неё добавляют саму серу. Температуру можно проверить, бросив небольшое количество серы в выше полученную смесь селитры и сорбита, если температура слишком велика, то сера будет плавиться и образовывать мелкие, блестящие капельки на поверхности. Перемешивать все компоненты нужно очень быстро, чтобы смесь не успела затвердеть.

10. После этого вытащить пластичную массу (желательно использовать одноразовые полиэтиленовые перчатки) ножом или другим металлическим предметом. Смесь также следует соскоблить и со стенок кружки и всё ещё раз перемять руками для большей однородности (использовать полиэтиленовые перчатки!).

Хочу заметить, что топливо начинает быстро затвердевать, поэтому я снова помещаю его кружку и ставлю в прогретую печь, но только уже выключенную, т.к. она сохранила в себе тепло и отлично помогает сохранять температуру расплава топлива и оно не остаётся пластичным достаточно долгое время. В печь можно также положить какие-нибудь теплоёмкие материалы: чистый сухой песок, металлически гайки, гвозди, отлично подойдёт свинец. По мере необходимости кусочки топлива отщипываются от основной массы и тщательно запрессовываются в корпус двигателя.

Производить запрессовку топлива следует малыми порциями, потому что если топливо запрессовывать не под достаточным давлением, то внутри топливной шашки останется много пузырьков воздуха. Как показал опыт для запрессовки лучше использовать графитовую палочку пропитанную парафином, и с отполированным кончиком. Для этих целей так же подойдёт фторопласт, однако топливо всё равно к нему прилипает и желательно иметь по рукой тряпочку с помощью которой вы будете удалять налёт. Все работы желательно проводить в сухом помещении. Как я уже отметил, данное топливо больше подойдёт на изготовление крупных топливных зарядов (от 70г) для больших двигателей.

От автора: Я не знаю, станет ли данное топливо популярным среди ракетостроителей и химиков, но в ходе длительной работы с ним я пришёл, что это единственное мощное топливо, которое можно получить без особого труда, по сравнению с перхлоратным. А более низкое содержание сорбита делают его немного более выгодным в использовании, если конечно у вас сера стоит дешевле, чем сорбит. С первого раза, приготовить его так как надо, у вас не получится, но в ходе длительной работы с ним, вы действительно увидите разницу. Возможно вам покажется, что данный способ изготовления этого топлива небезопасен, но за всю мою практику не было ни одного ЧП, потому что я строго соблюдаю чистоту реактивов и не допускаю попадания веществ, которые воспламеняются ниже 2000C. При строгом соблюдении чистоты рабочего места данный способ является сравнительно безопасным.

Желаю удачи!

Автор статьи: Олег

Советую попробовать составчик для набивки набивки ракет на основе АС:
kno3 40
nh4no3 35
уголь 13
сера 12
пап 5 сверх 100%

в гильзу, трубку и тд, прессуется навойником с подливкой спирта, бензина калоша, или на край керосином
работает на все 100% - проверено!!

metero5:

Топливо на основе калийной селитры(KNO3) и сорбита(C6H14O6).

Температура плавления сорбита ~112 градусов (на практике топливо полностью расплавляется при температуре ~120-130 градусов)
Температура начала плавления(или лучше сказать размягчения) ~100 градусов.
Цвет топлива: белый.
Скорость горения при давлении 1 атм ~ 2,6 мм\сек
Температура воспламенения топлива >300 градусов

Ур-ие реакции горения топлива:
C6H14O6 + 3.345 KNO3 -> 1.870 CO2 + 2.490 CO + 4.828 H2O + 2.145 H2 + 1.672 N2 ++ 1.644 K2CO3 + 0.057 KOH

Преимущества этого топлива:
Размягчается при довольно низкой температуре (~100 градусов),как следствие - очень просто заполнять двигатель.
Приготовление такого топлива полностью безопасно (при соблюдении ТБ (техники безопасности) разумеется)
Топливо на основе сорбита не карамелизуется.

Недостатки:
Горит такое топливо чуть медленнее всем известной "карамельки"(KNO3+сахар,кто не знает).
Воспламеняется при большей температуре, нежели "карамелька".

Непосредственно изготовление:
*)использовать только чистую калийную селитру (особенно без примеси натриевой, с такой селитрой у меня получалось одно Г. на протяжении целого года).С натриевой селитрой лично у меня вообще ничего не получалось.
*)сорбит можно купить в аптеке (~40-45 руб\кг)

Стандартной композицией является соотношение: KNO3 : Сорбит = 65% : 35%
Далее я указываю пропорции, используемые мной, для приготовления 1 партии топлива
1)Берем эмалированную кастрюлю и наливаем туда 300мл дистиллированной воды
*)дистиллированную воду использовать желательно, но не обязательно
2)Доводим воду до кипения и засыпаем 650 гр KNO3
3)Когда вся селитра растворится, засыпаем 350 гр сорбита
4)Оставляем эту смесь выпариваться при температуре ~100-120 град, возможно даже чуть менее, градусником я не замерял. Чтобы смесь не забрызгала все вокруг кастрюлю надо чем-нибудь прикрыть
*)Если температура будет слишком большая, более 150-170 градусов начнется, медленное разложение сорбита(цвет топлива с белого постепенно меняется на коричневатый) - это нам не надо. А при температуре ~120 град смесь круто бурлит и разбрызгивается в стороны - тоже неудобно. След-но оптимальную температуру подберите на глаз, но не больше 130 градусов.
5)Ждем пока не выпарится большая часть воды и смесь не превратится в белую(можно сказать - слегка прозрачную) суспензию (желе, и в этом роде)
6)Нагревание прекращаем и смесь выливаем на эмалированный поднос
*)осторожно смесь горячая - руками не трогать! Поднос надо брать металлический, пластмассовый испортится(покривится весь от температуры)
7)Сушим при комнатной температуре, переодически измельчая комки смеси, около 3-4 дней(поскольку партия большая и слой топлива приличный, если делать 100 грамм 2-х дней вполне достаточно)
8)Затем сушим на батарее приблизительно 2-3дня
*)Время сушки может меняться, в зависимости от кол-а выпаренной воды, влажности воздуха, нагрева батареи и т.д.
*)Если смесь положить сушится сразу на батарею время сушки намнооогооо увеличится, во всяком случае судя по-моему опыту
9)После просушки топлива его надо проверить. Берем кусочек и поджигаем: топливо должно гореть равномерно, с явным шипением и выделением значительного количества дыма
*)Не советую проводить эксперимент дома - вонять будет долго и неприятно.
!)Если горит плохо, топливо надо досушить
10)Запихиваем это все(сухое топливо я имею ввиду) в герметичную емкость.

При изготовлении ракетного двигателя :
1)Достаем порцию топлива (у меня 100 гр) и нагреваем его в эмалированной миске при температуре 100-120 градусов.
2)Ложкой заливаем топливо в движок
*)не дотрагиваться руками до топлива - горячее
3)Делаем канал и т.д.

В принципе здесь надо приблатыкаться чуток, тогда получите довольно недорогое и ооочень перспективное топливо.

Я удачно запустил ракету (класс G,см. сайт Ричарда Накки) или вполне приличный перевод этой статьи на русский(см. сайт Pyroboom)
Время работы двигателя было 1-1,5 сек(как и должно быть).
Ракета улетела на столько высоко, что примотанный к ней бенгальский огонь казался малюсенькой звездочкой в небе.
Интересно то, что за неимением мощного источника тока для моих ЭВ, я воспользовался обычным заводским полимерным стопином, вставленным в канал движка. Это ни коем образом не отразилось на работе двигателя.

Изготовление движка - отдельная тема с огромным кол-ом нюансов,поэтому здесь я ничего не описываю.
Скажу только, что на сборку одного движка(не беру время сушки клея, цемента, изготовления топлива) уходит порядка 2-х часов, скорее всего даже меньше.

*)Некоторые данные были взяты с сайта Р.Накки.

Для получения пиротехнических составов, особенно для ракетных модельных двигателей, перемешиванием при 135-140°С восстановителя, окислителя и связующего в воде при температуре кипения растворяют окислитель в виде нитрата щелочного металла или смеси нитратов щелочных металлов, образующих эвтектическую смесь, в количестве 50-70%, удерживая раствор при температуре кипения, затем при непрерывном перемешивании добавляют восстановитель в количестве 20-50% в виде сахарозы, глюкозы или смеси глюкоза/фруктоза - 1/1 и возможно 0-10% катализатора в виде соединений хрома. Перемешивание продолжают при температуре кипения раствора до момента испарения такого количества воды, что при применении нитратов щелочных металлов происходит выпадение густой суспензии, которую затем сушат 24 часа при 30°С, предварительно измельчают и вновь сушат до остаточной влажности примерно 1%, получая пиротехнический состав в твердом состоянии в виде порошка, который можно прессовать в формованные изделия. В случае применения эвтектических смесей нитратов щелочных металлов раствор нагревают при температуре кипения, испаряя такое количество воды, чтобы достигнуть температуры 170°С, нагревание отключают, полученный расплав осветляют 10-15 секунд и выливают форму, покрытую слоем ненасыщенного масла, получая пиротехнический состав в виде отливки. Смешивая пиротехнический состав в виде порошка с 50% связующего и, возможно 10% серы, гомогенизируя смесь в шнековом смесителе, получают пластичное топливо в форме мастики. В качестве связующего применяют сахарозу, глюкозу, фруктозу или смеси глюкоза/фруктоза - 1/1. При исследования установлено, что при нагревании раствора пиротехнического состава продукты разложения сахаров вызывают торможение кристаллизации нитрата щелочного металла из водного раствора. В результате получают такое перемешивание окислителя и восстановителя, которое обеспечивает получение практически однородного топлива с воспроизводимыми характеристиками и неожиданно большой скоростью сгорания. Продукты разложения сахаров не допускают также кристаллизации эвтектической смеси нитратов щелочных металлов, благодаря чему получают пиротехнические составы в виде расплава, из которого можно отливать различные формованные изделия. Установлено, что скорость горения прессованного топлива максимальна при влажности 1%. При использовании в пиротехнических составах в качестве окислителя эвтектической смеси нитратов щелочных металлов максимальной скорости сгорания достигают при содержании сахара 38-39%, а при содержании сахара менее 20% топливо становится негорючим. Пример: В эмалированный металлический сосуд с электрообогревом вливают 300 мл дистиллированной воды и нагревают до температуры кипения. В кипящую воду всыпают 670 г чистого KNO3 и перемешивают до полного растворения, затем всыпают 330 г сахарозы и перемешивают при температуре кипения. В результате испарения воды в определенный момент раствор мутнеет, густеет, переходит в суспензию и начинает распрыскиваться в стороны. В этот момент нагревание прекращают и выливают (постоянно перемешивая) густую суспензию на эмалированный поднос. Продукт сушат 24 часа при 30°С, предварительно дробят и сушат до остаточной влажности примерно 1%. Получают пиротехнический состав в виде порошка, из которого изготавливают формованное изделие, представляющее собой ракетное топливо, негигроскопичное, нечувствительное к ударам, с t°вспышки=380°С, Vгор= 0,55-0,58 см/сек, горит красным пламенем. Полученные пиротехнические составы стабильны и безопасны при хранении (ограниченную стабильность имеют только пиротехнические составы в виде эвтектики нитратов щелочноземельных металлов). Продукты сгорания пиротехнических составов нетоксичны. Пиротехнические составы можно использовать для модельных работ, для изготовления дымных шашек.

Copyright © 2002 PYROBOOM GROUP 2002

ПРОДОЛЖЕНИЕ НИЖЕ!!! wacko


 
leon2000Дата: Понедельник, 12.01.2009, 21:57 | Сообщение # 2
Admin
Группа: Администраторы
Сообщений: 406
Статус: Offline
ПРОДОЛЖЕНИЕ

ТОПЛИВО KNO3-СОРБИТ (СОРБИТОВАЯ КАРАМЕЛЬ)

Наиболее полную информацию об этом топливе можно прочитать на сайте Ричарда Накки.

Дискуссия о карамельных топливах на Ракетомодельном форуме: Карамельное беспокойство , КБ II , КБ III , КБ IV.

Для изготовления топлива необходимы:

1. KNO3, нитрат калия. Его необходимо высушить до содержания влаги не больше 0.5%, для этого достаточно прогреть его в тонком слое на противне в духовке при 100-150С в течение 2-3 часов. Содержание влаги можно определить так: точную навеску сушат до тех пор, пока её вес не перестанет уменьшаться, по потере веса вычисляют процент влажности.
Сухой KNO3 измельчают в кофемолке или ступке до размера кристаллов 0.1-0.05мм. (Примечание: нельзя (да и не нужно) измельчать в кофемолке KNO3 вместе с сорбитом или другими горючими.) Необходимо добиваться, чтобы каждый раз получалась одинаковая степень измельчения, иначе свойства полученного топлива будут каждый раз разные, особенно скорость горения. Для этого необходимо каждый раз использовать одну и ту же кофемолку, загружать одинаковое количество размалываемого материала и молоть одинаковое время. Обычно на хорошей кофемолке достаточно 30 секунд. При использовании ступки добиться воспроизводимости гораздо труднее.

2. Сорбит.Его также необходимо проверить на содержание влаги, если её больше 0.5%, то нужно высушить, нагревая в тонком слое на противне в духовке при 70-80С в течение нескольких часов. Нельзя допускать расплавления сорбита, потому что расплав сохнет намного медленнее кристаллов. Я использовал сорбит, купленный в аптеке, проверка показала, что он достаточно сухой, поэтому я его не сушил.
После осушки измельчать сорбит не нужно, он всё равно расплавится в процессе изготовления топлива

3. Нагревательная баня. Для плавления больших количеств топлива (>0.5-1кг) обязательно использовать нагревательную баню, для того чтобы обеспечить равномерный нагрев всей массы топлива. Температура теплоносителя должна быть 130-140С. Я делал порции по 100г, но скорее всего можно и 300-500г, главное, чтобы топливо было распределено по дну сковородки тонким слоем, не больше 1-2см.

Процесс плавления:

Исходные компоненты смешивают в соотношении KNO3-сорбит 65%-35%, перемешивают, устанавливают в баню или на плитку, которые были заранее нагреты до необходимой стабильной температуры. С этого момента и до снятия топлива с нагревания за ним необходимо неотрывно следить. Сначала смесь подплавляется на стенках, прилипает к ним, в это время нужно начинать спокойно перемешивать. Затем вся масса начинает слипаться и постепенно превращается в подобие манной каши. Как только каша стала однородной, без комков - топливо готово. При этом плавится только сорбит, а KNO3 остаётся кристаллическим, поэтому не нужно ждать, когда всё станет жидким. Только что расплавленное топливо имеет температуру около 120С. Если нагревать выше, то при 140С смесь начинает немного пениться и пощёлкивать, это испаряются остатки воды, всегда присутствующие в исходных компонентах. Нагревать до этой температуры не опасно, но и не нужно, если услышали потрескивание - снимайте с нагрева и заливайте топливо в форму.

Расплавленное топливо не такое жидкое, как вода, но достаточно хорошо льётся, особенно если ему немного помогать ложкой. После заливки и охлаждения топливо долго остаётся мягким, полное отверждение проходит в течение 1-2 дней. За этим процессом нужно наблюдать, чтобы не деформировать топливо. Если после заливки в шашку вставлен стержень для формирования центрального канала, то его нельзя вынимать до полного отверждения.

Полученное топливо гигроскопично, т.е. оно поглощает влагу из воздуха, при этом поверхность становится сначала липкая, а потом на ней появляется слой жидкости. Чтобы этого не происходило, ещё тёплое топливо помещают в полиэтиленовый пакет. Хранить топливо и готовые двигатели также необходимо в герметичной таре.

Описанный метод придуман не мной, он является стандартом для сорбитовой карамели, так делают ракетомоделисты Америки, Европы, Австралии, о чём можно прочитать на их сайтах.

Ниже приведены свойства этого топлива, описанные на сайте Ричарда Накки:
Теоретическое уравнение горения при давлении 68 атмосфер (по данным PROPEP (Propellant Evaluation Program)):

C6H14O6 + 3.345 KNO3 -> 1.870 CO2 + 2.490 CO + 4.828 H2O + 2.145 H2 + 1.672 N2 + 1.644 K2CO3 + 0.057 KOH
Параметр Единицы Примечание
Isp Удельный импульс, теоретический 164 сек [1]
C* Скорость истечения, теоретическая 3076 (938) футов/сек (м/сек)
To Температура горения, теоретическая при 1000 psi (68 атм) 1327 (1600) С (K) [2]
Плотность теоретическая 1.841 г/см^3
Плотность реальная 1.82 г/см^3 [3]
X Массовая доля твёрдых продуктов сгорания 0.436 -
M Средняя молекулярная масса продуктов сгорания 39.9 г/моль [5]
ro Скорость горения при 1 атм. 0.102 (2.6) дюймов/сек (мм/сек)
r Скорость горения при 68 атм. 0.443 (11.3) дюймов/сек (мм/сек)
Tcr Температура самовоспламенения > 300 С

[1] При давлении в камере 68 атм, наружное давление 1 атм.
[2] по данным PROPEP
[3] Измеренная (методом вытеснения жидкости), типичная
[5] Полный вес / количество молей газов

Serge77
Эпоксидка - нитрат калия
Зачем нужно топливо на эпоксидной связке и нитрате калия,.. ведь удельный импульс у него такойже как и у карамели. На это есть несколько причин:
Топливо не гигроскопично Кто имел дело с карамелью знает что это топливо боится влажного воздуха и его приходится герметично упаковывать. Это не только усложняет его использование но и приводит к зависимости полученых результатов от времени хранения топлива и условий хранения и использования.
Не нужно плавить Несмотря на все предосорожности, процедура плавления карамельного топлива является крайне опасной. Особенно проблематично плавить большие объемы топлива.
Скорость горения Карамельное топливо весьма быстрогорящее, поэтому не получается сделать маленький двигатель который бы работал продолжительное время.

Эпоксидка - нитрат калия - нитрат аммония - ХОМ
Состав:
Эпоксидка - 20%
KNO3 - 25%
NH4NO3 - 52%
S - 1%
CuO*CuCl2 - 2% ХОМ (хлорокись меди CuCl2*3Cu(OH)2*H2O) - 3%
Метод приготовления
хлорокись меди (ХОМ CuCl2*3Cu(OH)2*H2O) передварительно прокалена для удаления связаной воды. При этом цвет измнился с салатного на черный, прокаливание нужно делать под тягой. Полдученый порошок сильно пылится и как все соединения меди ядовит, нужно пользоваться респиратором. Нитрат калия растерт вместе с ХОМ, серой и нитратом аммония. Эпоксидная смола смешана с отвердителем в соотношении 1:10. После этого в эпоксидную смолу добавляется полученный порошок. Поскольку смолы очень мало, смесь получается в виде увлажненных комочков. Эти комочки ложатся на лист полиэтиленовой пленки, накрываются другим куском полиэтилена и раскатываются в лепкшку цилиндрическим предметом, например стеклянной бутылкой. Потом лепешка складывается, так чтобы края получились в середине и опять раскатывается. Эта операция повторяется несколько раз до полной однородности смеси. В конце концов получается масса похожая на черный пластилин.
Формирование шашек
Формовка шашек заключается в наполнении заранее подготовленных бумажных форм (картриджей) смесью. Смесь совсем не обладает текучестью и требует утрамбовки. После наполнения форм, формы убираются в полиэтиленовый мешок для защиты от влаги. Смесь твердеет около недели.
Измерение скорости горения
Скорость горения состава на открытом воздухе 0.16 мм/с
Измерение давления
Измерение зависимости давления от Kn проводилось путем сжигания шашки смеси в специальной камере с известным соотношением площади горящей поверхности к площаби выходного сечения. Сжигалась шашка диаметром 28 мм длинной 50 мм с каналом диаметром 14,5 мм. Горение по каналу и торцам. Всего сожжено 3 шашки:
Сопло 4,5 мм Кн=200 Давление не превышало 0,1 МПа
Сопло 3,5 мм Кн=310 Давление не превышало 0,1 МПа
Сопло 3,0 мм Кн=450 Давление не превышало 0,3 МПа. Сильная пульсация давления.

Этот состав требует дальнейшего исследования.


Эпоксидка - нитрат калия - ХОМ
Состав:
Эпоксидка - 30%
НК - 67%
ХОМ (хлорокись меди CuCl2*3Cu(OH)2*H2O) - 3%
Метод приготовления
Нитрат калия растерт вместе с ХОМ. Эпоксидная смола смешана с отвердителем в соотношении 1:10. После этого в эпоксидную смолу добавляется смесь НК и ХОМ. Сразу после смешивания состав имеет зеленый цвет который со временем переходит с синий.
Формирование шашек
Формовка шашек заключается в наполнении заранее подготовленных бумажных форм (картриджей) смесью. Смесь обладает некоторой текучестью в течении часа. Потом смесь теряет свойства текучести но еще некоторое время обладает пластичностью. Отвержденный состав синего цвета.
Измерение скорости горения
Скорость горения состава 0.7 мм/с
Измерение давления
Измерение зависимости давления от Kn проводилось путем сжигания шашки смеси в специальной камере с известным соотношением площади горящей поверхности к площаби выходного сечения. Сжигалась шашка диаметром 28 мм длинной 22 мм. Горение торцевое, сопло 2,5 мм что дает Кн=123 давление получилось 0.2 МПа. В конце горения давление вдруг начало рости, выросло до 0,5 МПа и только после полнолго прекрашения горения начало медленно падать.Причину этого я узнал после того как разобрал камеру. Отверстие сопла было плотно запечатано черным нагаром.

Таким же нагаром покрыты все стенки камеры.

Нагар легко отделяется от металла не разрушаясь, при постукивании звенит как фарфор. Имеет красноватый отлив и при рассмотрении вооруженным глазом можно различить капельки меди.

Этот состав требует дальнейшего исследования.

oonoh

Впринципе из аммиачки возможно сделать ракетное топливо. Но тебе KNO3 всё таки понадобится. Но не особо много. Это топливо чуть дороже карамели, но имеет хороший удельный импульс. Сам я его применял 2 раза - но отказался, так как аммиачка у мя в 2 раза дороже калийки. Вот состав:

Эпоксидка - 30 вч
KNO3 - 10 вч
NH4NO3 - 70 вч
S - 5 вч
CuO - 2 вч
Al - 15 вч

Нитрат калия растерт вместе с CuO, серой и нитратом аммония. Эпоксидная смола смешана с отвердителем в соотношении 1:10. После этого в эпоксидную смолу добавляется алюминий и смесь перемешивается до однородности. После этого добавляется полученный порошок. Поскольку смолы очень мало, смесь получается в виде увлажненных комочков. Эти комочки ложатся на лист полиэтиленовой пленки, накрываются другим куском полиэтилена и раскатываются в лепкшку цилиндрическим предметом, например стеклянной бутылкой. Потом лепешка складывается, так чтобы края получились в середине и опять раскатывается. Эта операция повторяется несколько раз до полной однородности смеси. В конце концов получается масса похожая на черный пластилин.
PS. можно вполне обойтись и без CuO, а укого есть - перхлората аммония неплохо бы 1-2 вч добавить!

И ещё, карамель (сорбитовая) с нитратом натрия - сущий кошмар. Ее сделать трудно, так как он сука скапливается под слоем сорбита. Да и просушка ОЧЕНЬ сильно влияет. Читать про разные способ. Между тем такая карамель имеет теоретический максимальный удельный импульс 170 единиц, а карамель на KNO3 - 156 (стандартная смесь 65-35 ещё меньше - 153). Эти цифры несколько завышены, но разница существенная и есть смысл попробовать реализовать это преимущество. Дополнительным преимуществом NaNO3 является его большая, по сравнению с КNO3, растворимость в спиртах, благодаря чему можно было ожидать частичного или полного растворения NaNO3 в расплавленном сорбите или сахаре, что дало бы легко льющийся расплав.

Сахар-NaNO3 1:2

Смесь компонентов растворял в небольшом количестве воды при нагревании, потом упаривал на песчаной бане при температуре около дна стакана 170С, постоянно перемешивал. Вода выкипала, постепенно выпадали мелкие кристаллы NaNO3, смесь стала густой кашей, начала желтеть, потом коричневеть, но перемешивалась довольно легко. Упаривал до тех пор, пока проба смеси при охлаждении становилась твёрдой и кусочек ломался при изгибе с характерным щелчком. После этого скатывал в колбаску. Получается довольно прочный заряд, на сколе видно, что кристаллы NaNO3 очень мелкие и однородные. По сравнению с такой же процедурой для KNO3 на стадии каши перемешивать гораздо легче, всё-таки смесь получается пожиже. Но вообще мне не очень понравилось, сахар довольно быстро разлагается, нужно точно уловить стадию готовности и не передержать, иначе получается менее прочное и хуже горящее топливо.
Позже я обнаружил, что если вместо нашего слегка желтоватого сахара использовать немецкий по-настоящему белый рафинад (специально купил), то упаривается практически без разложения, можно получить белую или слегка жёлтую карамель. Проверил, в топливе остаётся около 0.5% воды. Получается вязкая, но довольно легко перемешиваемая масса, не льётся, но легко упаковывается в трубку по частям при лёгкой трамбовке деревянной палочкой. Ещё позже я попробовал упаривать при температуре смеси не выше 130С, это дольше, но разложения сахара вообще не происходит, работать гораздо удобнее, можно сильно не торопиться.
Состав горит на воздухе с ярким жёлтым пламенем, но медленно, при этом частично оплавляется и течёт.

Михаил

Топливо на эпоксидке делается так: калийную селитру (аммиачную нельзя, да и вообще соли аммония, т.к. они реагируют с ПЭПА и процесс отверждения может очень сильно затянуться) тонко измельчаем (кофемолка пойдёт в самый раз). Далее как обычно разводим эпоксидку с отвердителем 10:1 и добавляем туда для разжижения 10-15% ацетона. В разбодяженную эпоксидку засыпаем наш нитрат, пока не получится что-то вроде пластилина. Вот этот пластилин используем. Вместо нитрата (если не тянет) можно применять перхлорат калия, или смесь перхлорат/нитрат, можно бромат, но это похуже. Тест такой: проба топлива должна энергично сгорать, давая небольшой углистый остаток и много дыма. Если что-то не так, то добавляем тот или иной компонент и снова тестим. По отвердевании получаем топливный блок.

Семён

Нитрат аммония + силикон

Относительно новое и малоисследованное топливо, состоящее из нитрата аммония (60%), алюминиевого порошка (20%) и связующего в виде силиконового герметика (20%) плюс 1% катализатор Fe2O3 - окись железа. Его достоинства - высокая мощность, доступность компонентов, простота изготовления топливных зарядов. Минус - трудное воспламенгение, высокая температура горения, что влечет за собой усложнение конструкции двигателя и его сопла.

Нитрат калия + Сера + алюминий + связка (эпоксидная смола)

Так же относительно малоисследованное топливо. Состоит из 70 % нитрата калия, 15 % серы, 15 % алюминиевого порошка. Для ускорения горения добавляется некоторое количество окиси железа и в качестве связки 6% эпоксидной смолы с отвердителем. В интернете имеются составы с иным процентным соотношением компонентов. Я несколько раз испытывал его в тестовом двигателе. Плюсы этого топлива - удобство в работе, негигроскопичность, мощность. Минусы - высокая температура горения. что влечет за собой усложнение конструкции двигателя и его сопла.

jettest.nаrod.ru

Состав ракетного топлива, где взял непомню

Берём 72 грамма нитрата аммония и растворяем примерно в 40 мл, воды. Раствор доводим до кипения и присыпаем 7 грамм дихромата калия. Тщательно растираем комочки дихромата. Когда весь дихромат растворится, добавляем 21 грамм алюминиевой пудры. Пудра, естественно, почти не смочится и будет плавать на поверхности. Раствор охлаждаем где-то до 95 градусов. Теперь приливаем (лучше быстро) 20 грамм ацетона. Ацетон закипит, поэтому рядом не должно быть огня. Вообще всё это лучше делать на свежем воздухе . Значительная часть серебрянки разойдётся. Активно перемешивая, доводим температуру раствора до 60-64 градусов. Теперь приливаем ещё 35-40 мл ацетона (быстро, дабы он опять не закипел). Перемешиваем. Ставим сушиться до состояния вроде слегка влажной муки (лучше всего на подносе из нержавейки на солнышке). Как просушится (каждый день желательно ложкой раздавливать комочки смеси), складываем всё это в ковшик стоим его в слегка подогретую (до 100-105 градусов) духовку минут на пять. Вытаскиваем его, ещё горячую смесь запихиваем в герметичную посуду. Охлаждаем. ВСЁ!

Тянет оно почти как карамелька. Особенно если делать очень тщательно. Его основные недостатки – гигроскопичность и сложность приготовления.

При горении выделяет значительное количество дыма (скорее всего, ядовитого из-за присутствия соединений хрома). И даёт очень яркое белое пламя.


 
leon2000Дата: Понедельник, 12.01.2009, 21:58 | Сообщение # 3
Admin
Группа: Администраторы
Сообщений: 406
Статус: Offline
БАЛЛИСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ, ОСНОВАННЫХ НА СМЕСЯХ ПЕРХЛОРАТА АММОНИЯ И НИТРАТА АММОНИЯ

L.T. DeLuka, L. Galfetti, F. Severini, M. Galeotti, P. Taiariol
Миланский политехнический институт, г. Милан, Италия
R.De Amicis
Avio-Compensorio BPD, г. Рим, Италия
В.А. Бабук
Балтийский технический университет, г. Санкт-Петербург, Россия
В.Н. Кондриков
Менделеевский университет химической технологии, г. Москва, Россия
А.Б. Ворожцов,
Томский государственный университет, г. Томск, Россия
Г.Ф. Клякин
Южно-российский технический университет, г. Новочеркасск, Россия

Главная цель данной работы заключается в разработке дешевых и экологически безопасных ТРТ на основе нитрата аммония (НА) для двигателей космических систем. В рамках инновационной международной программы выполнены лабораторные эксперименты на большом количестве составов СТТ, содержащих металлический компонент и систему двойного окислителя, состоящую из фазостабилизированного НА и перхлората аммония (ПХА). При этом предполагается существенно снизить стоимость разработки одноразовых ракетоносителей для запуска космических объектов как первых ступеней тяжелых, так и основных ступеней небольших/средних ракетоносителей. Однако поскольку НА в качестве компонента ТРТ имеет довольно скромные энергетические возможности, то ожидается и снижение важных параметров РДТТ – удельного импульса и плотности. Таким образом, конечным результатом этой совместной исследовательской программы должен быть согласованный анализ ряда рецептур СТТ на основе ПХА – НА, которые обеспечивали бы наилучший компромисс между характеристиками РДТТ и его стоимостью.

Нами исследовано несколько категорий составов на основе НА: 1 – чистый НА как твердое монотопливо или в смеси с небольшими добавками, ускоряющими химические реакции разложения и снижающими предельное давление дефлаграции (ПДД); 2 – металлизированные СТТ на основе НА; 3 – СТТ на основе смесей НА+ПХА (двойной окислитель); 4 – металлизированные СТТ на основе ПХА+ФСНА (фазостабилизированный НА); 5 – металлизированные СТТ на основе ПХА+ФСНА и катализаторов скорости горения. Результаты исследований составов по пунктам 1 – 3, включая общие характеристики составов монотоплива на основе НА и их основные химические реакции при горении [1, 2, 3], представлены в докладе [4] и в данной работе только обобщаются.

Монотопливные рецептуры

Эта часть исследования была проведена в тесном сотрудничестве с Менделеевским университетом химической технологии и полностью описана в литературе.

Нитрат аммония – неорганический твердый окислитель ракетного топлива, используемый уже в течение десятилетий [5], последние годы привлекает особое внимание исследователей. Однако НА, имеющийся на рынке, имеет существенные недостатки:

гигроскопичен и не очень энергетичен;

переходит из одной кристаллической структуры в другую при температурах -16,9 °C, +32,3 °C, +84,2 °C, +125,2 °C и при термоциклировании даже при температуре, близкой к температуре окружающей среде, претерпевает объемные изменения;

плавится с некоторым разложением при 169,6 °C;

плохо горит без помощи катализатора, имеет высокое значение ПДД;

имеет довольно низкую скорость горения (ввиду низкой кинетики оксидов азота по сравнению с оксидами хлора), большую чувствительность к начальной температуре горения и давлению, но слабо зависит от размера частиц.

Баллистические характеристики могут быть отрегулированы за счет других компонентов и использования катализатора горения, но пределы изменения скорости горения остаются ограниченными [6 – 8], а практические последствия кристаллических переходов неприемлемыми.

Ввиду указанных неблагоприятных факторов и низкой температуры пламени (1247 K при 70 aтм) НA используется, главным образом, в газовых генераторах и других вспомогательных источниках энергии. Основные причины возвращения интереса к этому окислителю заключаются в его полной газификации, чистых и бездымных продуктах сгорания, возможности стабилизации фазы [10], дешевизне по сравнению с другими бесхлорными окислителями, а также в том, что это довольно безопасный энергетический материал.

Среди первых исследователей, интенсивно изучавших горение чистого НА и составов на его основе, были авторы работ [11] и [12]. Их главная задача - выяснение механизмов горения и определение влияния катализаторов. Эксперименты по горению НА, проведенные при комнатной температуре и постоянном давлении [11], показали, что чистый НА не горит в стеклянных трубках большого диаметра, вплоть до 30 мм, даже при давлении, равном 1000 атм. Были получены также зависимости скорости горения смесей НА/катализа-торы в интервале давлений от 1 до 1000 атм. Присутствие в смеси с НА катализаторов увеличивает скорость горения НА и уменьшает величину ПДД. Наиболее эффективным горючим для составов с НА является активированный уголь.

Горение HA часто нестабильно: значение ПДД и другие параметры стабильности обычно значительно выше соответствующих параметров двухосновных и смесевых ТРТ. Такой характер горения объясняется появлением на горящих частицах НА жидкого слоя, состоящего из смеси расплавленного НА, воды, азотной кислоты, аммиака, оксидов азота и других менее значимых компонентов. Реакции в этом слое идут медленно при малом количестве выделяющегося тепла и относительно низкой характеристической температуре. Реакции во вторичном пламени отделены от границы жидкость/твердое вещество слоем довольно инертной жидкости и не участвуют активно в формировании процесса горения. В присутствии соответствующих добавок, чаще всего сажи, стабильность горения составов на основе HA значительно улучшается, величина ПДД уменьшается до атмосферного, а другие параметры стабильности принимают значения, близкие к аналогичным парамет-рам ТРТ.
Meтaллизированные рецептуры СТТ на основе нитрата аммония

До настоящего времени низкая эффективность горения металлических горючих компонентов создает непреодолимое препятствие к практическому использованию СТТ на основе НА. Результаты экспериментальных исследований составов с НА показывают, что для регулирования зависимости скорости горения от давления используются катализаторы [10, 13, 14], а для увеличения скорости горения в состав топлива вводятся энергетическое связующее [6, 15, 16] и металлическое горючее [17]. В целом процессы горения металлизированных топлив на основе НА еще не понятны в достаточной мере, чтобы можно было предложить полезные рекомендации для практического применения. Для решения названной выше проблемы политехнический институт г. Милана (Италия) начал совместные работы с Балтийским государственным техническим университетом (БГТУ, Россия) [18, 19].

Результаты измерений скорости горения, выполненные в БГТУ, показывают, что введение алюминия в рецептуру топлива приводит к увеличению его скорости горения, особенно при использовании ультрадисперсного алюминия. Сложный характер воздействия на скорость горения оказывает отношение крупной и мелкой фракции окислителя: минимальная скорость установлена при отношении, равном единице.

При горении ТРТ, как показал визуальный анализ, на поверхности горения образуется характерный слой с довольно определенной структурой, состоящей из углеродного каркаса, поры которого заполнены смесью «жидкий Al–AL2O3». Этот слой, названный каркасным (KC), играет решающую роль в управлении свойствами фронта горения и покрывает практически всю поверхность горения ТРТ. Толщина КС примерно 400 ¸500 мкм при давлении 6 МПа. Для топлив на основе НА, у которых температура воспламенения металлического порошка в поверхностном слое меньше, чем температура разложения углеродных элементов, воспламенение и горение металла происходит внутри углеродного каркаса.

Агломераты состоят из металла и его оксидов, причем оксиды занимают значительную их часть. Агломераты могут содержать газовые пузыри, а форма собранных агломератов близка к сферической. В составах с микрометрическим алюминием агломераты имеют вид темных частиц с размером около 1000 мкм с выступающими неровностями сферической формы; с увеличением содержания крупной фракции размер агломератов уменьшается. Структура этих агломератов является промежуточной между двумя ранее описанными конфигурациями [20]: более крупными «матричными» агломератами (мелкие и крупные частицы оксида объединены между собой каплями металла) и более мелкими «с нашлепкой оксида» (частица оксида находится на большой металлической капле). Таким образом, наблюдаемая структура поверхностного слоя представляет собой частицы оксида, вмещающие одну большую каплю металла, поверхность которой достигает границы агломерата; в этом слое можно также найти более мелкие частицы металла, капсулированные оксидом.

Для составов с нанометрическим алюминием агломераты представляют собой частицы белого цвета почти правильной сферической формы и состоят из оксидной оболочки, в которую внедрена сравнительно небольшая частица металла. Такие агломераты называются «полыми». Поэтому топлива на основе НА с наноалюминием как дешевые, экологически чистые могут использоваться в космических системах, поскольку в ракетных двигателях на таком топливе следует ожидать уменьшение/отсутствие образования шлаков в камере двигателя и уменьшение потерь удельного импульса.

Эксперименты, выполненные в SP Lab, обобщены в таблице 1 (список испытанных металлизированных рецептур ТРТ на основе НА), на рисунке 1 (устойчивые скорости горения при давлениях до 70 бар), на рисунках 2 – 4 (микрофотографии твердых остатков горения).

Таблица 1- Испытанные рецептуры на основе НА с добавлением Al
Обозначение
Окислитель, %
Алюминий, %
HTPB, %
Добавки

НА-1
68 НА
15, чешуйки 50 мкм
17

НА-1a
68 НА
15, чешуйки 50 мкм
17

НА-2
68 НА
15, шарики 30 мкм
17

НА-3
68 НА
15, нано 0,1 мкм
17

НА-4
67 НА
18, чешуйки 50 мкм
15

НА-5
67 НА
15, чешуйки 50 мкм
15
3 % Mg

НА-6
67 НА
15, чешуйки 50 мкм
15
3 % AD

НА-7
68 НА+ПХA
18, чешуйки 50 мкм
14

Все массовые фракции НА имеют бимодальное распределение (70 % крупной фракции и 30 % мелкой). Размеры частиц крупной фракции 250 ¸ 400 мкм, а мелкой 45 ¸ 70 мкм. Все массовые фракции Al мономодальны. В этой первой серии рецептур ТРТ полибутадиен с концевыми гидроксильными группами (НТРВ) использовался в качестве контрольного связующего. Были испытаны различные виды алюминиевого горючего (шарики, чешуйки) с различным размером частиц (микрометрические и нанометрические): микрометрические чешуйки со средним характеристическим размером 50 мкм; микрометрические шарики со средним диаметром 30 мкм; нанометрические частицы со средним размером 0,17 мкм. Для улучшения баллистических характеристик (уменьшение ПДД, увеличение скорости горения) были также испытаны химические добавки. Производство, подготовка и сжигание образцов осуществлялось в атмосфере азота.

Рисунок 1 – Зависимость устойчивой скорости горения рецептур ТРТ, содержащих бимодальный НА, от давления: – AN-5, · – AN-7, – AN-6, – AN-4, – AN-2, – AN-1

На рисунке 1 представлены значения устойчивой скорости горения нескольких рецептур ТРТ, содержащих бимодальный HA (70 % крупной фракции и 30 % мелкой); для сравнения приведены результаты испытания ТРТ НА-7 (системы с двойным окислителем НА + ПХА). Из рисунка 1 видно, что все составы на основе НА имеют меньшую скорость горения и больший ПДД, но также и меньшее значение экспоненты в зависимости скорости горения от давления, чем состав, основанный на двойном окислителе (НА + ПХА). Среди составов на основе НА два состава с добавками (НА-5 с 3 % Mg и НА-6 с 3 % AD) имеют наиболее близкие баллистические характеристики. Большее содержание металлического порошка в рецептуре увеличивает скорость горения (сравните НА-4 с НА-1, хотя эти рецептуры очень мало отличаются), при этом у состава со сферическим алюминием (НА-2) скорость горения наименьшая. Результаты, полученные на составах с разными связующими (полиэтиленгликоль и полипропиленгликоль), сохраняют общую тенденцию в отношении влияния металлического компонента. При изготовлении состава НА-1a, содержащего более мелкий порошок НА (70 % крупной фракции в диапазоне 70¸250 мкм и 30 % мелкой фракции в диапазоне 0¸45 мкм), возникли технологические проблемы. Топливо НА-3, содержащее наноалюминий, показало особенный характер горения (большой твердый остаток Al2O3, напоминающий по форме исходный образец, во всем исследуемом диапазоне давлений 1 ¸70 бар).

Анализ конденсированных остатков горения подтвердил физическую модель, предложенную БГТУ. На рисунке 2, а показана структура каркасного слоя состава НА-1, а рисунок 2, б подтверждает наличие расплавленного слоя, сопровождающего дефлаграцию НА состава НА-2. Другие детали горения составов на основе НА показаны на рисунке 3, а (состав НА-2) и рисунке 3, б (состав НА-3). Твердые остатки продуктов сгорания также подтверждают физическую картину, предложенную БГТУ: собранные агломераты представляют собой необычно крупные частицы (до 1000 мкм), часто полой конфигурации, как показано на микроразрезанных собранных частицах (состав НА-1) (рисунок 4). Аналогичная морфология наблюдается для состава НА-2, но не для НА-3. Обнаружено несколько газообразных пор, иногда очень маленьких, иногда распространяющихся по всей частице. В частицах накоплено большое количество оксида алюминия и довольно малое количество алюминия. Обнаружены агломераты различных форм и структур с каплями алюминия, диспергированными в оксидной матрице («матричные» агломераты).
Системы двойного окислителя НА + ПХА

Удельный импульс и плотность HA меньше по сравнению с широко используемым ПХА, поэтому он не совсем пригоден для ракетных двигателей космических ракетоносителей. Однако предложенная система двойного окислителя позволяет найти компромисс между двумя этими компонентами. Таким образом, долгосрочные цели данной работы состоят в улучшении общего понимания свойств горения ТРТ, основанного на системе двойного окислителя НА + ПХА и включающего в себя металлический компонент, а также в нахождении наиболее пригодных рецептур ТРТ, дешевых и экологически безопасных, для исследования космоса. В качестве эталона на данном этапе исследований взяты характеристики твердотопливных ускорителей системы Ariane-5.

В целом увеличение содержания твердой фракции повышает плотность ТРТ (НА-4, НА-5, НА-6); кроме того, также повышает плотность ТРТ использование окислителя (НА-P) или металлического горючего (НА-3) с большим содержанием мелкой фракции. Более низкие результаты получены на составах с микрометрическим Al (НА-1 и НА-2) ввиду плохих механических свойств соответствующих мешек. Напротив, значительно лучший результат был получен с системой двойного окислителя НА + ПХА – плотность 1,66 г/см3 . Плотность топлива, используемого в ускорителях Ariane-5, равна 1,76 г/см3 , т.е. больше плотности состава с двойным окислителем на 5,5 %.

Замена части ПXA на HA означает и некоторую потерю удельного импульса по сравнению с Ariane-5, НА + ПХА на 2 % (чистый НА на 5 %). Таким же образом уменьшается и номинальная температура пламени: на 24 % для чистого НА и на 12 % для НА + ПХА. Но при замене части ПXA на НА значительно уменьшается загрязнение окружающей среды, так как на 58 % уменьшается образование НСl.

Обширные испытания системы с двойным окислителем (HA + ПXA) показывают, что два окислителя удачно сочетаются в рецептуре ТРТ, проявляя лучшие свои качества: ПХА обеспечивает высокую скорость горения и низкое значение ПДД, а НА снижает стоимость топлива и загрязнение окружающей среды. Плохие характеристики остатков горения ТРТ с НА в значительной степени нивелируются присутствием ПХА в рецептуре топлива. Для смесевых ТРТ с НА, основанных как на чистом НА [21], так и на системе двойного окислителя НА + ПХА [22], была успешно применена классическая теория гранулированного диффузионного пламени [23] с соответствующими изменениями [24]. Эта теория первоначально была разработана Summerfield¢ом для СТТ на основе ПXA и может использоваться для оптимизации состава топлива. Таким образом, система двойного окислителя НА + ПХА имеет такие же характеристики, как одиночный окислитель. Немного уменьшается номинальный удельный импульс и плотность, но значительно уменьшается и загрязнение окружающей среды HCl. Эта общая тенденция сохраняется при использовании в качестве связующих топлива полиэтилен- и полипропиленгликоля.

Фазостабилизированный нитрат аммония

Хотя смешение с ПХА резко улучшает довольно ограниченные баллистические свойства НА, сам этот окислитель, как таковой, не может использоваться в качестве компонента ТРТ из-за своих физико-химических характеристик. В частности, несколько фазовых переходов при температуре окружающей среды и значительная гигроскопичность делают кристаллический порошок НА непригодным для использования в ТРТ. Это хорошо известная проблема привлекает внимание химиков уже длительное время. Существует несколько вариантов ее решения, включая использование специфических добавок, способных стабилизировать фазовые переходы НА в температурном диапазоне эксплуатации РДТТ и одновременно ограничивающих гигроскопичность НА [26]. Эта часть исследования была проведена в сотрудничестве с Южно-Российским государственным техническим университетом, в результате чего получено несколько вариантов фазостабилизированного нитрата аммония (ФСНА). Результаты их испытаний будут опубликованы в ближайшем будущем.
Выводы

Горение НА характеризуется низким уровнем стабильности: значение ПДД и критический диаметр в целом много больше, чем соответствующие параметры для двухосновных и смесевых топлив, вследствие появления на сгораемых частицах НА жидкого слоя, который состоит из смеси расплавленного НА, воды, азотной кислоты и других менее значительных компонентов. Реакции в этом слое идут довольно медленно и соответственно выделяют небольшое количество тепла при относительно низкой характеристической температуре.

При возможном использовании НА в современных ракетных системах необходимо увеличить его энергетическую эффективность. Система двойного окислителя НА + ПХА может быть удобным решением для некоторых РДТТ, востребованных в краткосрочной перспективе, но для более широкого практического применения НА требуется доработка выбранной рецептуры на основе ФСНА + ПХА.

Выражаем большую благодарность ASI за финансовое содействие работам по контракту I/R/247/02. Значительная помощь была оказано д-м M. Galeotta при проведении совместных экспериментальных исследований в Италии и России. Мы ценим постоянную поддержку со стороны Avio-Comprensorio BPD


 
Форумчик » Пиротехника » ТОСы » ракетные топлива
Страница 1 из 11
Поиск: