Применение микрогибридных гетерогенных конденсированных систем для повышения энергетики ракетных двигателей

Язык труда и переводы:
УДК:
621.454.4
Дата публикации:
23 декабря 2021, 21:13
Категория:
Секция 03. Основоположники аэрокосмического двигателестроения и проблемы теории и конструкций двигателей летательных аппаратов
Авторы
Бечаснов Павел Михайлович
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Гетерогенные конденсированные системы потенциально позволяют использовать в их составе высокоэффективных окислители, в том числе жидкие, применение которых в составе твердых ракетных топлив не может быть обеспечено существующей технологией. Размещение таких окислителей, как диоксид азота и тетранитрометан, в герметичных сгорающих полимерных капсулах, соединяемых физическими или химическими способами, способно позволить создание микрогибридного ракетного двигателя. Такой двигатель будет иметь удельный импульс на уровне амил-гептильных жидкостных ракетных двигателей, сохраняя эксплуатационные преимущества ракетных двигателей на твердом топливе.
Ключевые слова:
гибридный ракетный двигатель, микрокапсулы окислителя, жидкие окислители в твёрдом горючем, гетерогенные системы
Основной текст труда

Горение гетерогенных конденсированных систем изначально изучалось как модельное для процесса горения смесевых твердых топлив. По этому вопросу в теории горения существует ряд работ теоретического и экспериментального характера [1, 2]. Подобные системы обладают способностью к горению без способности к детонации, объединению химически несовместимых в смеси компонентов, обеспечению более близких к стехиометрическим соотношений компонентов, настройке скорости горения конструктивными способами без введения химических модификаторов и дополнительно имеют технологические преимущества, связанные с возможностью раздельного снаряжения окислителем, в том числе в полигонных условиях [3].

В классических энергонасыщенных конденсированных системах горючая связка обеспечивает прочность заряда, будучи равномерно распределенной между зернами мелкокристаллического окислителя. Изготовление крупногабаритных зарядов при этом представляет собой сложную технологическую задачу. Поэтому перспективным является композитный заряд, в котором прочность обеспечивается несущим каркасом из горючего с наполнителем из окислителя.

По мере уменьшения размера ячейки такого заряда все большее значение приобретает диффузионное контактное горение, снижающее зависимость скорости горения от давления. При этом укрупнение ячеек по сравнению с зернами традиционных составов облегчает теплопередачу, увеличивая скорость горения по сравнению с достижимой в классической технологии. Фактически, изменение размера ячейки позволяет при неизменном химическом составе менять скорость горения и вид ее зависимости от давления от ν = 0,4 до ν = 1.

Для успешного создания горючих капсул, однако, требуется обеспечить сравнительно высокое объемное стехиометрическое соотношение горючего и окислителя, так что используемый окислитель должен содержать большую долю активного кислорода. Кроме того, он должен иметь высокую плотность и химическую совместимость с материалом капсулы. Это практически ограничивает применимые окислители из числа распространенных перечнем, в который входят диоксид азота, тетранитрометан и некоторые перхлораты. При этом наиболее широкий выбор совместимых материалов предоставляет тетранитрометан, который, по имеющимся данным, совместим с большим количеством пластмасс. Диоксид азота потребует металлизации внутренней поверхности капсулы или использования сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Перхлораты по сравнению с ними будут иметь существенно меньшую энергетику (перхлораты щелочных металлов) либо слишком малую стабильность для обеспечения существенного срока хранения полученного топлива (перхлораты нитрония, нитрозила).

Возможная технология изготовления капсул предусматривает холодное вакуумное осаждение горючего несущего слоя на поверхность замороженных капель жидкого окислителя (температура замерзания диоксида азота составляет –16 °С, тетранитрометана +14 °С) либо их разлив с последующей герметизацией в микроемкости, изготовленные  трехмерной печатью. Изготовленные капсулы собираются в заряд на клею (существуют клеи с нанотрубками, способными хорошо склеивать полиэтилен) либо механически соединяются с герметизацией стыков, после чего собранная конструкция проходит дефектоскопию.

Прочностные расчеты с учетом доли несущего пластика показывают хорошую механическую работоспособность итоговой конструкции на сжатие (σв ≈ 1,6 МПа для проработанного варианта). Во всем диапазоне эксплуатационных температур (–60…+60 °С) она способна адаптироваться к изменению плотности окислителя и выдерживать давление его насыщенных паров. При этом в условиях, когда окислитель является твёрдым, микрогибридный двигатель становится подобным твердотопливному двигателю раздельного снаряжения.

Высокая достижимая степень миниатюризации топливных капсул позволит улучшить смешение компонентов и исключить детонацию состава при сохранении их размера ниже критического диаметра детонации. Поскольку при термоциклировании структура основы не нарушается, а требования к адгезии отсутствуют, гетерогенный заряд будет подвержен только химическому контактному старению. Дополнительным позитивным фактором будет то, что при механическом воздействии утечка окислителя будет происходить только из разрушенных капсул, что позволит минимизировать возможный ущерб.

Итого, в сравнении с наиболее эффективными октогенсодержащими алюминизированными твердыми топливами [4] микрогибридный двигатель с зарядом на основе тетранитрометана в полимерной оболочке будет иметь сравнимый удельный импульс (на уровне амил-гептильных жидкостных ракетных двигателей), на 15 % меньшую плотность заряда, на 200...300 °С меньшую температуру горения, большую прочность и допустимую деформацию, практически полное отсутствие конденсированной фазы и опасных веществ в выхлопе. При этом предлагаемый двигатель будет значительно безопаснее твердотопливных аналогов.

Таким образом, гетерогенные энергонасыщенные конденсированные системы в настоящее время могут быть реализованы технологически, по основным показателям пригодны для использования в ракетной технике и имеют ряд преимуществ перед традиционными системами.

Литература
  1. Фитцджеральд М.П., Брюстер М.К. Горение слоевых топлив (обзор). 1. Экспериментальные исследования // Физика горения и взрыва. 2005. Т. 11, № 56. С. 95–115.
  2. Фитцджеральд М.П., Брюстер М.К. Горение слоевых топлив (обзор). 2. Теоретические исследования // Физика горения и взрыва. 2006. Т. 42, № 1. С. 3–25.
  3. Ракетное топливо: военный энциклопедический словарь Министерства обороны РФ. URL: https://encyclopedia.mil.ru/encyclopedia/dictionary/details.htm?id=14449@morfDictionary (дата обращения 12.11.2021).
  4. Андреев К.К., Беляев А.Ф. Теория взрывчатых веществ. М.: Оборонгиз, 1960. 595 с.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.