газообразующий пиротехнический состав
Классы МПК: | C06D5/06 реакцией двух или нескольких твердых веществ C06B27/00 Составы, содержащие металл или неметалл, например бор, кремний, селен или теллур или их смеси, их соединения друг с другом или гидриды в комбинации с углеводородами или галогензамещенными углеводородами |
Автор(ы): | Ярошенко Вячеслав Викторович (RU), Харламов Михаил Владимирович (RU), Демидов Олег Сергеевич (RU), Климов Станислав Алексеевич (RU), Кирюшкин Игорь Николаевич (RU), Елизарьев Юрий Васильевич (RU), Селезенев Александр Аркадьевич (RU), Крекнин Дмитрий Афанасьевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики"(ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2006-10-30 публикация патента:
10.10.2008 |
Изобретение относится к области пиротехники и может быть использовано в источниках газа, работающих в импульсном режиме. Предложенный газообразующий пиротехнический состав содержит порошок гидрида алюминия (25-70 мас.%) и порошок перхлората калия (30-75 мас.%). Состав имеет удельное газовыделение 400-832 см 3/г, способен создавать импульс давления 3,0·10 6-13,5·106 кгс/см 2·с-1, при этом температура воспламенения состава не более 200°С. 1 табл.
Формула изобретения
Газообразующий пиротехнический состав, содержащий в качестве горючего порошок гидрида алюминия и окислитель, отличающийся тем, что в качестве окислителя он содержит порошок перхлората калия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
порошок гидрида алюминия | 25÷70 |
порошок перхлората калия | 30÷75 |
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области пиротехники и может быть использовано в источниках газа, работающих в импульсном режиме, для получения смеси газов (в основном, водорода) высокой температуры и давления.
Газообразующие составы широко применяются в различных технических средствах, использующих энергию газов для:
- создания определенного давления;
- перемещения исполнительных механизмов;
- наддува топливных емкостей;
- заполнения подушек безопасности и т.д.
В ряде случаев для обеспечения работоспособности технических средств, например пирорезаков, необходимо создание мощного импульса давления. Как правило, подобные импульсы характеризуются скоростью нарастания давления и имеют величину порядка 10 6 кгс/см2·с-1 , что фактически характеризует процесс взрывного превращения состава.
Пиротехнический состав, предназначенный для создания такого импульса давления, должен иметь следующие характеристики:
- высокое удельное газовыделение;
- способность к быстрому (взрывному) превращению, в том числе и в прессованном виде;
- работоспособность в интервале температур от минус 50°С до плюс 50°С при минимальных количествах вещества, ограниченных габаритами конструкции;
- высокую чувствительность к начальному тепловому импульсу (низкую температуру воспламенения), поскольку инициирование данных составов зачастую осуществляется медленногорящими замедлительными составами с низкой температурой горения;
- низкую гигроскопичность и способность сохранять свои свойства в течение требуемого промежутка времени (гарантийного срока изделия).
В литературе имеются данные о различных веществах (пороха, ПТС), способных создавать импульс давления [Вспомогательные системы ракетно-космической техники, перевод под ред. И.В.Тишунина, М., "МИР", 1970, с.117]. Тем не менее известные вещества не отвечают всем указанным выше требованиям.
Так, используемый черный (дымный) порох имеет импульс давления всего 0,021·10 6 кгс/см2·с-1 , что ограничивает его применение. Более высокий импульс давления имеет бездымный порох (0,196·106 кгс/см 2·с-1), но и этот материал не достаточно эффективен, особенно в прессованном виде и при отрицательных температурах (вследствие наличия паров воды в продуктах сгорания).
Еще большей эффективностью по импульсу давления обладает так называемая смесь 50/25/25 фирмы "Дюпон", которая, по-видимому, является пиротехническим составом. В данном случае импульс давления составляет 1,33·106 кгс/см 2·с-1. Сведения о рецептуре данной смеси отсутствуют.
Там же имеются сведения о составе на основе перхлората аммония и циркония (процентное содержание не приводится). При испытаниях прессованных образцов из этого состава был зафиксирован импульс давления 4,2·10 6 кгс/см2·с-1 . Недостатками данного состава являются высокая гигроскопичность и токсичность перхлората аммония.
Наиболее перспективным, по мнению авторов предлагаемого изобретения, является использование газообразующего пиротехнического состава на основе гидрида алюминия.
Данный материал широко используется в качестве высокоэнергетической добавки в твердых ракетных топливах (ТРТ). Например, известен следующий состав ТРТ, мас.% [патент США №3755019, кл. C06D 5/06, Том 913, №4, 28 августа 1973]:
Гидрид алюминия | 5÷25 |
Окислитель, выбираемый из группы, в которую входят | |
перхлорат аммония, перхлорат натрия, перхлорат калия, | 30÷70 |
аммиачная селитра, калиевая селитра, натриевая селитра | |
Пластифицированная нитроцеллюлоза | 15÷70 |
В данном случае имеет место сгорание гидрида алюминия до Al2О 3 и Н2О, при этом скорость горения составляет несколько мм/с (десятков мм/с).
Наиболее близким по технической сущности является пиротехнический состав с использованием гидрида алюминия и оксида железа [Патент США №3948700, кл. С06В 23/00, С06В 27/00, 6 апреля 1976]. В данном случае авторы изобретения предлагают состав для получения водорода высокой температуры, при этом патентуется реакция типа:
Fe2 O3+2AlH3 2Fe+Al2О3+3Н 2.
Данный состав содержит 27,3% мас. AlH 3 и 72,7% мас. Fe2О 3. Температура реакции 3000°С, удельное газовыделение водорода 300 см3/г (при нормальных условиях: 0°С, 760 мм рт.ст.).
Для использования в качестве газообразующего пиротехнического состава, способного создавать мощный импульс давления, данный состав не подходит, т.к. имеет невысокую скорость горения и не способен к быстрому (взрывному) превращению. Входящий в состав окислитель Fe2 О3 имеет температуру разложения 1565°С, поэтому данный состав имеет достаточно высокую температуру воспламенения (не менее 500°С).
Задачей предлагаемого технического решения является значительное повышение газовыделения состава и придание ему способности к быстрому (взрывному) превращению в прессованном виде.
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, следующий:
- удельное газовыделение не менее 400 см3/г;
- способность создавать импульс давления не менее 3·10 6 кгс/см2·с-1 в прессованном виде;
- работоспособность в составе конструкции в интервале температур от минус 50°С до плюс 50°С при минимальных количествах вещества (мг);
- температура воспламенения не более 200°С;
- низкая гигроскопичность (менее 0,1%) и высокая химическая стойкость в течение длительного срока хранения (не менее 20 лет в составе изделия).
Поставленная задача и технический результат достигаются за счет того, что известный газообразующий пиротехнический состав, содержащий в качестве горючего гидрид алюминия и окислитель, согласно изобретению в качестве окислителя содержит перхлорат калия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Гидрид алюминия | 25÷70 |
Перхлорат калия | 30÷75 |
Замена используемого в прототипе окислителя Fe2О3 (температура разложения 1565°С) на перхлорат калия (температура разложения 580°С), содержащий в себе гораздо больший процент кислорода, позволила повысить в составе процентное содержание гидрида алюминия, что в совокупности привело к значительному повышению удельной калорийности состава, объему выделяемого водорода и обеспечению способности состава к взрывному превращению даже в прессованном виде.
Следует отметить, что при горении состава развивается весьма высокая температура (не менее 3000°С), в результате чего конденсированные продукты горения (Н2 О, KCl) переходят в парообразное состояние. Это значительно повышает общий объем газообразных продуктов реакции при горении состава и способствует повышению импульса давления.
Экспериментально подобранное соотношение компонентов позволяет достигнуть вышеуказанный технический результат. Экспериментальные и расчетные данные приведены в таблице. Удельное газовыделение продуктов горения состава приведено для нормальных условий (0°С, 760 мм рт.ст.).
№ | Содержание компонентов, % мас. | Удельное газовыделение, см3/г (расчет) | Удельная калорийность, ккал/г (кДж/г) (расчет) | Импульс давления, кгс/см 2·с-1 (эксперим.) | ||||
KClO4 | AlH3 | Н 2 | KCl | Н 2O | Суммарное | |||
1 | 75 | 25 | 75 | 121 | 204 | 400 | 2,28 (9,55) | 8,0·10 6 |
2 | 70 | 30 | 219 | 113 | 116 | 449 | 2,34 (9,80) | 10,2·10 6 |
3 | 63 | 37 | 414 | 102 | - | 516 | 2,45 (10,26) | 13,5·10 6 |
4 | 55 | 45 | 504 | 89 | - | 593 | 2,09 (8,75) | 13,0·10 6 |
5 | 50 | 50 | 560 | 81 | - | 641 | 1,89 (7,91) | 12,0·10 6 |
6 | 40 | 60 | 672 | 64 | - | 736 | 1,55 (6,49) | 8,2·106 |
7 | 30 | 70 | 784 | 48 | - | 832 | 1,16 (4,85) | 3,0·106 |
Горение состава с содержанием гидрида алюминия 37% протекает согласно следующему уравнению:
3KClO 4+8AlH3=3KCl+4Al2 O3+12Н2 .
При горении составов с содержанием гидрида алюминия менее 37% мас., продуктами горения могут быть Н 2, Н2О, KCl и Al2 О3.
При горении составов с содержанием гидрида алюминия более 37% мас., продуктами горения могут быть Н2, KCl, Al и Al2 О3.
Для экспериментальной отработки заявляемый состав изготавливался смешением порошков:
- гидрид алюминия <10 мкм;
- перхлорат калия <40 мкм.
Для определения характеристик горения использовались образцы со степенью уплотнения 0,8÷0,85.
Импульс давления определялся сжиганием образцов в герметичной сборке, при этом определялось максимальное давление и время, за которое оно достигалось.
Температура воспламенения состава определялась по методу ДТА.
Из данных, приведенных в таблице, следует, что удельное газовыделение заявляемого состава достигает 400÷832 см 3/г, удельная калорийность составляет 1,16÷2,45 ккал/г.
Наибольшим импульсом давления обладают составы с содержанием гидрида алюминия 37÷50% мас. Составы с большим содержанием AlH3 имеют большее удельное газовыделение, но и меньшую удельную калорийность, что приводит к снижению импульса давления.
Температура воспламенения заявляемого состава находится в пределах 180÷190°С.
Многократно проведенные эксперименты подтвердили работоспособность и высокую надежность работы заявляемого состава во всем диапазоне температур от минус 50°С до плюс 50°С при минимальной массе состава, составляющей несколько мг.
Данный состав отличается низкой гигроскопичностью (менее 0,1%) и высокой химической стойкостью на протяжении гарантийного срока хранения изделия (не менее 20 лет).
Класс C06D5/06 реакцией двух или нескольких твердых веществ
Класс C06B27/00 Составы, содержащие металл или неметалл, например бор, кремний, селен или теллур или их смеси, их соединения друг с другом или гидриды в комбинации с углеводородами или галогензамещенными углеводородами