Ракетное топливо /варианты/ - RU2582712C2

Описание

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. патент 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 1330 м/сек. А если еще и немного повысить температуру водорода, скорость звука резко возрастет. Например, водород с температурой всего 650 градусов C (это ниже температуры его воспламенения) будет иметь скорость звука 2360 м/сек и сможет разогнать осколки 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 взрыва 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 выделяющихся газов с малым средним молекулярным весом - водорода и воды. Свободный азот и особенно «тяжелый» CO2 нежелательны.

СПОСОБ. То есть суть изобретения в том, что к азотосодержащим РТ добавляется мелкодисперсный бор или его горючие соединения, желательно - с водородом, а реакция организуется так, чтобы выделялся преимущественно водород.

Упомянутыми соединениями могут быть бораны (гидриды бора), боргидриды, бориды, карбид бора.

Например, в любое РТ добавляется мелкодисперсный бор. При температуре 800-1200 градусов C происходит реакция с азотом с образованием нитрида бора:

B+N=BN+252,6 кДж /1/

То есть на единицу добавленного бора получается добавочное тепловыделение 23,37 кДж/г. Такая добавка улучшит тепловыделение любого РТ.

Реакция образования нитрида бора лучше идет в присутствии восстановителей - угля, сажи, графита, графена, водорода. В реакции \3\ происходит участие углерода, поэтому в добавочных количествах восстановителя она не нуждается, в других же 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.

Естественно, что добавка бора составляет 1:1 к азоту по соотношению молекул ±20%.

РАКЕТНОЕ ТОПЛИВО. Ракетное топливо отличается от исходного тем, что выполнено по вышеуказанному способу, то есть имеет дополнительное количество бора в соотношении молекул 1:1 к азоту ±20%.

ПРИМЕРЫ. Рассмотрим добавку бора в виде тетраборана к азотсодержащему горючему, например к гидразину (аналогичный эффект будет при добавке тетраборана к несимметричному диметилгидразину). В качестве окислителя для простоты примера выберем сжиженный кислород:

2N2H4+2O2+B4H10=4H2O+2N2+B4H10=4BN+4H2O+5H2+1010,4 кДж /2/

Соотношение компонентов топлива: гидразина - 35,33%, кислорода - 35,28%, тетраборана - 29,39%, все ±10%. Причем добавка тетраборана составила 41,62% от исходного топлива (здесь и далее «масс.»).

Как видим, добавка тетраборана увеличила объем получившихся газов на 50% (9 молекул вместо 6) и увеличила тепловыделение на упомянутые 23,37 кДж на единицу (на 1 г) добавленного бора. Удельное тепловыделение несколько меньше, чем было бы у смеси исходного РТ с мелкодисперсным бором, но зато газов выделилось несколько больше (50% против добавки 41,62%), а самое главное - в выделившихся газах больше половины по объему - водород, все плюсы которого описаны выше.

Тетраборан может подаваться в камеру сгорания отдельно, а может храниться в одном баке с гидразином.

Рассмотрим добавку тетраборана в жидкое РТ, содержащее в качестве горючего керосин с усредненной упрощенной формулой СН2 (можно считать, что это этилен), а в качестве окислителя азотную кислоту или смесь азотной кислоты и пятиокиси азота (эффект от добавления тетраборана будет примерно одинаковый):

24CH2+20HNO3+5B4H10=24CO2+12H2O+20BN+25H2+5557,2 кДж /3/

Соотношение компонентов топлива: керосин (этилен) - 18,08%, азотная кислота - 67,62%, тетраборан - 14,30%, все ±10%. Причем добавка тетраборана составила 16,69% от исходного топлива, а выделившихся газов стало больше на 69,44% (61 молекула вместо 36). В этом примере использование добавки тетраборана дало еще лучший результат - газовыделение увеличилось значительно (69,44% против добавки 16,69%).

В твердотопливном или гибридном вариантах данное боросодержащее РТ с окислителем, содержащим связанный азот, покажет хорошие результаты, если и горючее, и окислитель содержат связанный водород:

NH4NO3+B4H10=B2O3+2BN+7H2 /4/

Соотношение компонентов: нитрата аммония (безводного) - 69,25%, тетраборана 30,75, все ±10%.

Еще большую энергетику реакции можно получить, применив в гибридном двигателе диборан вместо тетраборана, и бериллий или гидрид бериллия для реакции с нитратом аммония:

NH4NO3+3Be+B2H6=3BeO+2BN+5H2+1972,3 кДж /5/

То есть тепловыделение реакции достаточно большое - 14,64 мДж/кг. Соотношение компонентов: нитрата аммония (безводного) - 59,40%, бериллия - 20,06%, и диборана - 20,54%, все ±15%. Чтобы смесь не взорвалась, она может быть размещена в корпусе двигателя раздельно - секторами или продольными или поперечными слоями.

Если вместо бериллия взять гидрид бериллия, то тепловыделение будет 13,57 мДж/кг, но зато выделится 8 молекул водорода вместо 5:

NH4NO3+3BeH2+B2H6=3BeO+2BN+8H2+1910,8 кДж /6/

Соотношение нитрата аммония, гидрида бериллия, диборана=56,85:23,50:19,65, все ±15%.

Эта реакция практически адекватна следующей реакции только с твердыми компонентами, что удобнее при производстве твердых РТ:

NH4NO3+2BeH2+Be(BH4)2=3BeO+2BN+8H2+1912,8 кДж /7/

Соотношение: нитрата аммония, гидрида бериллия, боргидрида бериллия - 56,85:15,67:27,48, все ±15%. Тепловыделение - 13,57 кДж/г.

В качестве твердого соединения бора можно также использовать декаборан В10Н14 (его реакция похожа на реакции /3/, и потому не приводится).

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.

Если взять чистый бор и чистый бериллий, то возможно еще большее тепловыделение реакции, но с меньшим выделением водорода:

NH4NO3+3Be+2B=3BeO+2H2+6BN+1972,3 кДж /8/

Удельное тепловыделение 15,03 мДж/кг, но выделение водорода - всего две молекулы, то есть всего 3,13% по весу. Ожидается большой температурный эффект реакции. Соотношение компонентов: нитрат аммония - 62,20%, бериллий - 21,00%, бор - 16,80%, все ±15%.

В твердотопливном или гибридном вариантах данное боросодержащее РТ с окислителем - динитрамидом аммония (далее - ДНА) покажет еще более высокие результаты.

Покажем некоторые из этих реакций, включая реакцию, где горючим изначально предполагался бор:

3NH4N(NO2)2+8B+12B=4B2O3+12BN+6H2 /9/

Здесь соотношение компонентов: ДНА - 63,26+-15%, бор - 36,74±15%. Надпись «8В+12В» означает, что 8 атомов бора содержит исходное топливо, и они реагируют с кислородом, а 12 атомов бора реагируют с азотом.

В гибридном двигателе возможна реакция с жидким тетрабораном:

NH4N(NO2)2+B4H10=4BN+4H2O+3H2 /10/

Здесь соотношение компонентов: ДНА - 69,94±15%, тетраборан - 30,06±15%.

Следующая реакция также предназначена для гибридного двигателя:

NH4N(NO2)2+2Be+2B2H6=4BN+2BeO+2H2O+6H2 /11/

Здесь соотношение компонентов: ДНА - 62,84±15%, бериллия - 9,13±9%, диборан - 28,03±15%.

Хорошие показателя будут в реакциях с боргидридом бериллия, покажем две из них:

4NH4N(NO2)2+Be(BH4)2+16B=16BN+BeO+B2O3+12H2O /12/

Здесь соотношение компонентов: ДНА - 70,1±15%, боргидрид бериллия - 5,47±5%, бора - 24,43+-15%. И вторая реакция:

NH4N(NO2)2+2Be(BH4)2=4BN+2BeO+2H2O+8H2 /13/

Здесь соотношение компонентов: ДНА - 61,58±15%, боргидрид бериллия - 38,42±15%. В выделившихся газах 80% по объему водорода.

Если к этому топливу добавить 2 молекулы гидрида бериллия, то будет:

NH4N(NO2)2+2Be(BH4)2+2BeH2=4BN+4BeO+12H2 /14/

Соотношение компонентов: ДНА - 55,50%±15%, боргидрида бериллия - 34,63%±10%, гидрида бериллия - 9,87%±5%.

Небольшое количество газа, к тому же - водяного пара, но хорошее тепловыделение будет у следующей реакции:

NH4N(NO2)2+2Be+4B=4BN+2BeO+2H2O /15/

Здесь соотношение компонентов: ДНА - 66,95±15%, бериллий - 9,72±9%, бор - 23,33±15%.

Возможны эти реакции с полным или частичным окислением получившегося водорода.

Данный способ и данные ракетные топлива позволят достичь более высоких показателей наших ракет всех типов.

Реферат

Изобретение относится к ракетным топливам. Рассмотрены варианты ракетных топлив, включающие нитрат аммония или динитрамид аммония в комбинациях с дибораном, тетрабораном, боргидридом бериллия, гидридом бериллия и бором. Бор экзотермически реагирует с азотом и увеличивает энергетику реакции. Соединения бора, например, бораны, боргидриды, кроме того, еще дают большое количество водорода. Изобретение обеспечивает повышение скорости реактивной струи. 11 н.п. ф-лы.

Формула