способ регулирования скорости горения октогена

Формула изобретения

Способ регулирования скорости горения октогена, включающий добавление к нему катализатора горения, отличающийся тем, что в качестве катализатора горения используют порошкообразный диоксид титана в виде кристаллической модификации анатаз или кристаллической модификации рутил с удельной поверхностью 90-230 м² /г, который добавляют к порошку октогена в количестве 1,5-3,0 мас.%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области разработки смесевых твердых ракетных топлив (СТРТ) с высокими энергетическими характеристиками, содержащих циклические нитрамины, в частности октоген.

Использование в составе СТРТ циклических нитраминов существенно повышает энергомассовые характеристики топлива, но наряду с этим приводит к значительному увеличению показателя степени в зависимости скорости горения от давления (U~P ). При этом возможна нестабильная работа двигателя при нерасчетном повышении давления.

Для регулирования зависимости скорости горения от давления в состав СТРТ вводят различные катализаторы и модификаторы горения, главным образом оксиды металлов или их соли, неорганические и органические (см., например, US 3954553, С06 В 25/26, 04.05.1976 и US 3989776, C06B 21/00, 02.11.1976 - свинцовые и медные соли органических одноосновных кислот, при термораспаде дающие оксиды; RU 2090544, С06В 25/18, C06D 5/06, 20.09.1997 - катализатор горения оксид свинца, стабилизатор горения СаСО₃; RU 2121470, С06В 25/22, C06D 5/06, 10.11.1998 - катализатор горения смесь оксидов свинца, кобальта и титана; RU 2167137, С06В 25/24, C06D 5/06, 20.05.2001 - в качестве модификаторов горения смесь оксидов Рb и Сu и технического углерода, в качестве стабилизатора горения ТiO₂ или СаСО ₃; RU 2380346, С06В 25/24, C06D 5/06, 27.01.2010 - катализатор горения смесь свинцово-никелевого комплекса фталевой кислоты с MgO или с СаСО₃).

Однако высокоэнергетические топлива на основе циклических нитраминов являются труднокатализируемыми системами, и выбор катализаторов и модификаторов горения для таких СТРТ резко ограничивается. Учитывая все возрастающую роль нитраминов в составе СТРТ, поиск новых способов регулирования скорости горения нитраминов представляется весьма актуальным.

В настоящее время проводятся многочисленные исследования химии и физики горения высокоэнергетических топлив (см., например, Коробейничев О.П., Палецкий А.А., Волков Е.Н. Структура пламени и химия горения энергетических материалов. Химическая физика, 2008, том 27, № 4, с.34-59; Финяков С.В. Исследование физики горения стационарного и нестационарного горения энергоемких веществ. Автореферат дисс. на соискание ученой степени д-ра физ.-мат. наук. Институт химической физики им. Н.Н.Семенова, РАН, Москва, 2008 г.), предложены новые каталитические системы и способы для улучшения баллистических характеристик СТРТ, содержащих циклические нитрамины (RU 2179165, С06В 25/24, C06D 5/06, 10.02.2002 - в качестве катализатора скорости горения сложная смесь оксидов или органических солей Рb и Со, либо Рb и Cd, либо Рb и Сu; в качестве стабилизатора горения TiO₂ или СаСО₃, RU 2191765, С06В 25/22, C06D 5/06, 27.10.2002 - способ регулирования скорости горения СТРТ, содержащего октоген, включающий введение в состав СТРТ комбинированного модификатора горения, состоящего из свинцово-медного комплекса фталевой кислоты, технического углерода и СаСО ₃; RU 2384553, С06В 25/24, С06В 23/00, C06D 5/06, 20.03.2010 - модификатор горения представляет собой смесь четырех компонентов в определенном соотношении: свинцово-медный или свинцово-никелевый комплекс фталевой кислоты, технический углерод, 1,2-дибутокси-бензол, окиси Cr³⁺ и Сu²⁺, или диоксид титана, или дисилицид титана, или СаСО₃).

Анализ литературных источников показывает, что в большинстве известных способов регулирования скорости горения СТРТ в качестве катализаторов и модификаторов горения используют соединения свинца и меди, реже соединения других металлов. При этом важную роль играет сочетание определенных видов металлов, соотношение их концентраций, а также физическое состояние (механическая смесь, комплексное соединение и т.д.). Все это усложняет способы регулирования скорости СТРТ, так как часто необходима предварительная стадия получения модификатора горения, либо процесс его введения в топливо является технологически сложным и пожароопасным. Кроме того, соединения свинца отличаются высокой токсичностью.

Все описанные выше способы регулирования скорости горения относятся к СТРТ. Влияние катализаторов и модификаторов горения непосредственно на скорость горения гексогена и октогена и ее зависимость от давления исследовалось в работе: Денисюк А.П., Шепелев Ю.Г., Русин Д.Л., Шумский И.В. Влияние гексогена и октогена на эффективность действия катализаторов горения баллиститных порохов. // Физика горения и взрыва. 2001, т.37, № 2, с.77-83, выбранной нами за прототип. В данной работе исследовано (см. стр.81 и рис.6) влияние комбинированного катализатора, состоящего из 1,5% РbО, 3% ацетата меди и 0,8% сажи, на скорость горения гексогена, октогена и этилендинитрамина. Показано, что в области низкого давления (0,5-1,5 МПа) указанный катализатор существенно увеличивает скорость горения нитраминов, при этом наименьшее влияние катализатор оказывает на октоген: для октогена существенное увеличение скорости наблюдается лишь до 0,5 МПа. При увеличении давления выше 1,5 МПа добавление катализатора не влияет на скорость горения октогена. При исключении сажи из состава катализатора он становится неэффективным.

Недостатком способа-прототипа является его низкая эффективность при регулировании скорости горения октогена: заметное увеличение скорости горения наблюдается лишь в очень узком интервале давления - при Р 0,5 МПа. Следует отметить, что основной диапазон рабочих давлений в реальных двигательных установках составляет 4-10 МПа, что выше области регулирования скорости в способе-прототипе. Использование катализатора, состоящего из трех компонентов, усложняет способ и может влиять на воспроизводимость результатов. Кроме того, используемый в способе-прототипе катализатор токсичен.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка технологичного, безопасного и простого способа регулирования скорости горения октогена, который обеспечит значительный прирост скорости горения в более широком интервале давления и позволит снизить значение показателя степени в законе скорости горения по сравнению с горением октогена.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемым способом регулирования скорости горения октогена, включающим добавление к нему катализатора горения. В качестве катализатора горения используют порошкообразный диоксид титана в виде кристаллической модификации анатаз или кристаллической модификации рутил с удельной поверхностью 90-230 м²/г, который добавляют к порошку октогена в количестве 1,5-3,0 мас.%.

При разработке предлагаемого способа были проведены исследования влияния на скорость горения октогена и на показатель степени в законе скорости горения таких параметров, как давление, количество добавляемого катализатора диоксида титана, его дисперсность и вид кристаллической модификации.

При исследовании зависимости скорости горения от давления было установлено, что увеличение скорости горения в присутствии диоксида титана наблюдается в диапазоне давлений 2-12 МПа, что включает в себя рабочий диапазон давлений в реальных двигательных установках (см. фиг.1). Для снижения показателя степени в зависимости скорости горения от давления необходимо, чтобы повышение скорости в области низких давлений значительно превышало эту величину при высоких давлениях.

Эксперименты показали, что оптимальным является содержание диоксида титана 1,5-3,0 мас.%, при этом наблюдается максимальное возрастание скорости горения октогена (D_cp=40 мкм) при давлении 2 МПа (до 49% при содержании ТiO₂ 3 мас.% - см. фиг.2). При давлении 9 МПа добавление диоксида титана в количестве 3 мас.% приводит к росту скорости горения на 19% (фиг.2), и, таким образом, показатель степени в зависимости скорости горения от давления (U~Р ) значительно снижается - с =0.81 для чистого октогена до =0.65 для октогена с добавкой 3% ТiO₂ в виде кристаллической модификации анатаз с удельной поверхностью 230 м²/г (см. фиг.3 и фиг.4).

Исследование влияния степени дисперсности порошка диоксида титана показало, что использование диоксида титана с удельной поверхностью 90-230 м²/г позволяет существенно снизить значение показателя степени в законе скорости горения и увеличить скорость горения при низких давлениях (см. фиг.3 и фиг.4). Использование TiO ₂ с удельной поверхностью менее 90 м²/г неэффективно.

Важным результатом является установление факта, что различные кристаллические модификации ТiO₂ при использовании в предлагаемом способе ведут себя по-разному: анатаз более эффективен, чем рутил (см. фиг.1, 4).

Следует отметить, что добавка 3 мас.% диоксида титана (как анатаза, так и рутила) более эффективна для снижения композиций с мелким октогеном (D_cp=7 мкм), чем с крупным (D_cp=40 мкм) (см. фиг.4).

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Порошок диоксида титана с удельной поверхностью 90-230 м ²/г в количестве 1,5-3,0 мас.% добавляют к октогену. Смешение компонентов осуществляют сухим способом.

Способ проверен в лабораторных условиях ИХФ РАН. Использовались коммерческие порошки: анатаз (Hombitan^® F 9004/24 VP Anatas, удельная поверхность 230 м²/г; Tayka, Япония (ТКР), удельная поверхность 100 м²/г), рутил (Hombitan ^® F 9004/25 VP Rutil, удельная поверхность 90 м ²/г). Компактные образцы из смеси октогена и диоксида титана изготавливались методом холодного изостатического прессования с добавлением ацетона.

Заявляемый способ позволяет получать возрастание скорости горения при давлении 2 МПа на 64%, при давлении 15 МПа на 15%. Показатель степени в законе зависимости скорости горения октогена (D _cp=7 мкм) в диапазоне давлений 2-10 МПа снижается с 0,81 до 0,61 при использовании кристаллической модификации диоксида титана анатаз и до 0,68 при использовании модификации рутил (фиг.4).

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает значительный прирост скорости горения октогена в более широком интервале давления, позволяет снизить значение показателя степени в законе скорости горения и отличается высокой технологичностью, безопасностью и простотой. Способ может быть использован при создании СТРТ и порохов, содержащих октоген.