Твердое ракетное топливо для изделий народно-хозяйственного назначения

Твердое ракетное топливо для изделий народно-хозяйственного назначения

Реферат

Изобретение относится к области разработки топливных систем для изделий народно-хозяйственного назначения, а именно для метеоракет, противоградовых установок, средств доставки пожаротушащих устройств и других изделий. Эффективность работы подобных ракетных установок во многом зависит от качества используемого в них топлива, баллиститические, физико-механические и технологические характеристики которого и определяют качество работы ракетного двигателя в целом.

Известно твердое топливо для противоградовых установок, предназначенных для воздействия на облака с целью защиты сельскохозяйственных культур от градобитий /Патент №2090545, МКИ С06В 25/24, С06В 25/26, C06D 5/06, опубл. 20.09.1997 г. Твердое топливо/, содержащее следующие компоненты, мас.%:

Нитроглицерин	24,0-26,0
Динитротолуол	6,5-8,5
Дибутилфталат	2,0-3,0
Централит или дифениламин,
или симметричная
диэтилдифенилмочевина, или их смесь	1,4-2,5
Окись магния или двуокись титана,
или карбонат кальция,
или алюминиево-магниевый сплав	1,5-2,5
Окись железа	0,3-1,0
Углерод	0,3-1,0
Нитрат или гексанитрокобальтат калия	3,0-6,0
Расплав стеарата цинка или
натрия с вазелиновым,
индустриальным, смазочным
или сульфированным
касторовым маслом в отношении 1:20	0,8-1,2
Сульфорицинат Е	0,1-1,2
Нитроцеллюлоза	Остальное

Несмотря на то, что известное топливо способно обеспечить стабильную работу двигателя при низких давлениях, что особенно важно для составов, используемых для создания противоградовых ракет, эта композиция имеет ряд существенных рецептурных и технологических недостатков.

Используемый в составе нитрат калия является веществом, растворимым в воде, что неприемлемо для классической технологии изготовления баллиститных топлив, где смешение компонентов проводится в водной среде при модуле 1:4÷1:10 по отношению к воде.

Гексанитрокобальтат калия, вводимый в качестве одной из составляющих комплексного модификатора горения топлива, является дефицитным и весьма дорогостоящим продуктом. Кроме того, еще недостаточно изучены вопросы, касающиеся воздействия этого компонента на окружающую среду при его горении в составе топлива.

Окись магния как стабилизатор горения требует специальной подготовки по гидратации и гидрофобизации, что усложняет технологический процесс переработки топлива.

Неравномерность подачи водорастворимых добавок на фазе вальцевания приводит к большому разбросу выходных баллистических характеристик топлива.

Смесь твердых добавок, обработанных поверхностно-активными веществами (ПАВ), в сочетании с использованием дополнительного ПАВ сульфорицината Е приводит к пенообразованию в процессе смешения компонентов, что затрудняет технологический процесс отжима топливной массы.

К тому же гарантийный срок хранения подобных изделий с калийсодержащими добавками установлен всего 6 лет. Это связано, прежде всего, с тем, что в процессе хранения изделий происходит выкристаллизовывание соли калия (KNO₃) на поверхности изделий. Соль, поглощая влагу воздуха, растворяется и покрывает поверхность изделия влажным слоем, затрудняющим сборку ракеты.

Технической задачей, решаемой в рамках настоящего изобретения, является создание высокотехнологичного, экологически безопасного твердого ракетного топлива для изделий народно-хозяйственного назначения, имеющего длительный гарантийный срок хранения и обеспечивающего стабильность работы ракетного двигателя в широком диапазоне давлений без дополнительных трудозатрат при подготовке компонентов в производство.

Указанная задача решается за счет того, что твердое ракетное топливо для изделий народно-хозяйственного назначения, включающее нитроцеллюлозу, нитроглицерин, пластификаторы - динитротолуол и дибутилфталат, централит в качестве стабилизатора химической стойкости, карбонат кальция в качестве стабилизатора горения и модификатор скорости горения, дополнительно содержит расплав стеарата цинка с полиметилсилоксановой жидкостью в соотношении 1:25 в качестве механического стабилизатора, а в качестве комбинированного модификатора скорости горения углерод технический К 163 и железоокисный желтый пигмент.

Входящие в состав топлива компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%.

Нитроглицерин	25-29
Динитротолуол	6-9
Дибутилфталат	2-4
Централит	1,5-2,5
Железоокисный желтый пигмент	0,5-1,5
Углерод технический К 163	0,3-1,2
Карбонат кальция	1,5-2,5
Расплав стеарата цинка с
полиметилсилоксановой
жидкостью в соотношении 1:25	0,6-1,2
Нитроцеллюлоза	Остальное

Основу топлива составляет нитроцеллюлоза (горюче-связующее), пластифицированная тройной смесью: нитроглицерин (ОСТ 84-2386-88), дибутилфталат (ГОСТ 8728-88), динитротолуол (ОСТ 84-1461-77).

В составе заявляемой топливной композиции используются в качестве комбинированного модификатора скорости горения пигмент желтый железоокисный (FeOOH) (ГОСТ 18172-80) и технический углерод (С) марки К 163 (ТУ 51-80-82), в качестве стабилизатора скорости горения - карбонат кальция (СаСО₃) - мел химически осажденный (ГОСТ 8253), в качестве стабилизатора химической стойкости вводится централит (ГОСТ 2154-77).

В качестве механического стабилизатора внешнего действия используется стеарат цинка (ТУ 6-09-17-316-96). Его наличие в составе топлива предотвращает налипание материала к стенкам формующего канала, вследствие чего может происходить искажение формы выходящего изделия.

В качестве механического стабилизатора внутреннего действия применяется полиметилсилоксановая жидкость (ПМС-200) (ГОСТ 13032-77). Полиметилсилоксановая жидкость обладает хорошей совместимостью с топливной массой, что выражается в снижении вязкости композиции, улучшении ее текучести, уменьшении количества тепла, образующегося при трении и под действием сдвиговых усилий.

Новизна и изобретательский уровень предлагаемого изобретения заключается в том, что использование в составе топливной композиции комбинированного модификатора горения, состоящего из железоокисного желтого пигмента и тонкодисперсного углерода технического К 163, исключая, в отличие от прототипа, присутствие калиевых соединений, позволило продлить гарантийный срок хранения изделий до 10 лет и обеспечить более высокие и стабильные прочностные и баллистические показатели (прочность при разрыве, скорость горения топлива), а также придать массе большую технологичность и легкость ее переработки.

Введение в состав топливной массы, в качестве механических стабилизаторов внешнего и внутреннего действия, стеарата цинка и полиметилсилоксановой жидкости, взятых в соотношении 1:25, при заявленном количественном соотношении всех других компонентов, дало возможность увеличить технологичность топлива, а также способствовало подавлению процесса вспенивания смеси при изготовлении топливной массы в водной среде в виду низкого поверхностного натяжения полиметилсилоксановой жидкости.

Заявляемые пределы соотношений между компонентами механического стабилизатора определены экспериментальным путем и являются оптимальными с точки зрения формирования высокотехнологичной топливной системы.

Изготовление и переработка разработанного состава осуществляется по классической баллиститной технологии: для смешения компонентов и получения однородной топливной массы сначала в реактор с водой при температуре 25-35°С загружается нитроцеллюлоза, а далее следует одновременный ввод расплава стеарата цинка с полиметилсилоксановой жидкостью, углерода, железоокисного желтого пигмента, а также смеси пластификаторов и стабилизатора.

Затем масса отжимается от воды путем вальцевания при температуре вальцев 80-85°С с последующим таблетированием, где осуществляются процессы окончательной пластификации нитроцеллюлозы и гомогенизации композиции. Пороховая таблетка транспортируется на сушку при той же температуре в течение 45 мин до влажности не более 1,0%, и далее изделия прессуются при температуре 65-85°С и давлении 10-30 МПа.

Показатели внешнего и внутреннего трения определялись по разработанным методикам.

Техническая сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется нижеприведенными экспериментальными данными.

В табл.1 приведены рецептуры топливных композиций по примерам конкретного выполнения, а в табл.2 - их физико-химические, физико-механические, баллистические характеристики и реологические свойства в сравнении с прототипом.

Из табл.1 и 2 видно, что по комплексу физико-химических (удельная теплота горения, химическая стойкость и температура начала интенсивного разложения), физико-механических характеристик (предел прочности и деформация при сжатии, условный модуль при сжатии) предлагаемое топливо превосходит прототип.

Таким образом, заявляемое твердое ракетное топливо для народно-хозяйственного назначения позволяет обеспечить получение высокотехнологичного топливного состава, обладающего достаточно высокими прочностными и энергетическими характеристиками, а также соответствует требованиям по обеспечению стабильной работы ракетного двигателя в широком диапазоне давлений, и потому позволяет создать массовое и экономичное производство экологически безопасных изделий на его основе.

Таблица 1
Компоненты композиции	Содержание компонентов, % мас.
Прототип	Примеры конкретного выполнения
1	2	3
1	2	3	4	5
Нитроглицерин	24,0-26,0	25,0	27,0	29,0
Динитротолуол	6,5-8,5	6,0	7,5	9,0
Дибутилфталат	2,0-3,0	2,0	3,0	4,0
Централит	1,4-2,5	1,5	2,0	2,5
Дифениламин	-	-	-
Диэтилдифенилмочевина	-	-	-
Окись железа	0,3-1,0	-	-	-
Железоокисный желтый пигмент	-	0,5	1,0	1,5
Нитрат или гексанитрокобальтат калия	3,0-6,0	-	-	-

Продолжение табл.
1	2	3	4	5
Углерод	0,3-1,0	-	-	-
Углерод технический К 163	-	0,3	1,0	1,2
Карбонат кальция	1,5-2,5	1,5	2,0	2,5
Окись магния	-	-	-
Двуокись титана	-	-	-
Алюминиево-магниевый сплав	-	-	-
Расплав стеарата цинка с полиметилсилоксановой жидкостью в отношении 1: 25 по массе	-	0,6	0,9	1,2
Расплав стеарата цинка или натрия с маслом в отношении 1: 20 по массе	0,8-1,2	-	-	-
Сульфорицинат Е	0,1-1,2	-	-	-
Нитроцеллюлоза (N=11,9-14,0%)	Остальное	62,60	55,85	50,95

Таблица 2
Свойства и характеристики составов	Примеры конкретного выполнения
Прототип	1	2	3
Скорость горения при температуре 20°С и давлении 40 кгс/см2, мм/с (ОСТ В 84-454)	-	5,5	6,6	7,0
Удельная теплота горения, Qж, кДж/кг (ОСТ В 84-2401)	836,0	836,0	844,2	845,2
Химическая стойкость топлива при 383К, кПа (ОСТ В 84-2085)	-	-	10,2	-
Температура начала интенсивного разложения, К (ОСТ В 84-615-72)	434	435	440	437
Предел прочности при сжатии, σ, МПа	17,8	17,8	18,5	18,2
Деформация сжатия, ε, %	26,0	25,4	26,0	25,8
Условный модуль при сжатии, МПа	728,0	760,0	784,0	768,0
Внешнее трение, МПа	-	0,15	0,13	0,11
Внутреннее трение, МПа	-	2,01	1,87	1,62
Коэффициент технологичности	-	13,4	14,4	13,8

Твердое ракетное топливо для изделий народно-хозяйственного назначения, включающее нитроцеллюлозу, нитроглицерин, пластификаторы - динитротолуол и дибутилфталат, централит в качестве стабилизатора химической стойкости, карбонат кальция в качестве стабилизатора горения и модификатор скорости горения, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит расплав стеарата цинка с полиметилсилоксановой жидкостью в соотношении 1:25 в качестве механического стабилизатора, а в качестве модификатора скорости горения дополнительно углерод технический К 163 и железоокисный желтый пигмент при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Нитроглицерин	25-29
Динитротолуол	6-9
Дибутилфталат	2-4
Централит	1,5-2,5
Железоокисный желтый пигмент	0,5-1,5
Углерод технический К 163	0,3-1,2
Карбонат кальция	1,5-2,5
Расплав стеарата цинка с полиметилсилоксановой
жидкостью в соотношении 1:25	0,6-1,2
Нитроцеллюлоза	Остальное