< Serge77 - Моя ракетная мастерская >

КАРАМЕЛЬНЫЕ ТОПЛИВА

С ДОБАВКОЙ АЛЮМИНИЯ

Translate in English with Babel Fish

 

Дисперсный алюминий широко используется в твёрдых ракетных топливах как добавка, повышающая удельный импульс и плотность. Однако в карамельных топливах возможность использования алюминия не изучалась. Р.Накка провёл один тест летом 2004 г, испытав топливо KNO3-глюкоза (dextrose) с добавкой 18% алюминия. Двигатель взорвался сразу после выхода на режим, поэтому никаких данных получить не удалось, но по виду факела было заметно, что алюминий хотя бы частично сгорает в двигателе.

ВНИМАНИЕ! Хорошо известно, что алюминий реагирует с нитратами в присутствии влаги, эта реакция идёт с самоускорением и может привести к самовоспламенению смеси, причём не только при начальном смешивании, но и при хранении. Эта реакция сильно ускоряется в присутствии щелочных примесей, например карбонатов, и практически не идёт в слабокислой среде. Поэтому в пиротехнике во все составы, содержащие алюминий и нитраты, обязательно добавляют 0.5 - 1% слабой кислоты, например борной. Используют также канифоль (это слабая органическая кислота) или стеариновую кислоту. Роль кислоты может играть также и дисперсная сера. Нельзя использовать щавелевую или уксусную кислоту, они достаточно сильные и могут сами реагировать с алюминием.

В связи с этой опасностью необходимо обязательно контролировать присутствие щелочных примесей в исходных компонентах. Например, примеси могут быть в нитратах, особенно если они неизвестного происхождения и качества, или если они изготавливались самостоятельно из карбонатов или гидроксидов. Подчеркну: совершенно недостаточно просто добавить “стандартные” 0.5 – 1% борной кислоты, потому что щелочных примесей может быть много и этого количества кислоты будет недостаточно для их нейтрализации. Обязательно нужно контролировать исходные компоненты, pH концентрированного водного раствора должен быть около 5-6.

Признаками того, что алюминий начал реагировать, являются разогревание, вспенивание, запах аммиака. При появлении хотя бы одного из этих признаков нужно немедленно погрузить посуду с топливом в воду.

-----------

Первые пробы я делал с алюминиевой пудрой (пигмент). Добавка к стандартной карамели KNO3-сорбит 10% алюминия приводит к сильному загущению, с такой массой очень неудобно работать. На воздухе топливо горит медленнее исходной карамели, алюминий не сгорает, остаётся много шлаков. В двигателе не испытывал.

Дальнейшие опыты я проводил со сферическим алюминием АСД-4, он добавлялся в карамельные топлива сверх 100%. На воздухе все эти топлива горят хуже, чем без алюминия, алюминий не сгорает, остаётся в шлаке в исходном состоянии – в виде очень мелких блестящих шариков, хорошо различимых под микроскопом. Однако при горении в двигателе картина меняется. Для сравнения приведены данные и для топлив без алюминия. Номера соответствуют моему карамельному журналу.

Состав K136. Стандартная сорбитовая карамель.

65% KNO3
35% сорбит

 

 

Состав K132. Стандартная сорбитовая карамель + 10% алюминия.

65% KNO3
35% сорбит
+10% Al

Топливо легко смешивается, по вязкости примерно как исходное топливо без алюминия, затвердело как обычная карамель. Ярко-белый факел светящейся окиси алюминия немного скрадывается белым дымом. Эрозия сопла отсутствует. В двигателе осталось совсем немного пористого шлака, алюминия в шлаке нет.

 

 

Состав K133. Стандартная сорбитовая карамель + 20% алюминия.

65% KNO3
35% сорбит
+20% Al

Топливо легко смешивается, текучесть его немного выше, чем у исходного топлива без алюминия, это связано с тем, что алюминий повышает плотность. Затвердело как обычная карамель. Жёлтый оттенок факела скорее всего обусловлен присутствием сажи. Разлетающиеся искры – это раскалённые капли окиси алюминия, а не догорание алюминия на воздухе. На выходе из сопла осталась застывшая корона из этих капель. Эрозия сопла отсутствует. В двигателе осталось совсем немного пористого шлака, алюминия в шлаке нет.

 

 

 

Состав K122. Натриевая сахарная карамель.

66% NaNO3
33% сахар
1% FeOOH

Изготовление: сахар и 10% NaNO3 растворяются в воде, раствор упаривается, получается прозрачный жидкий сироп. Если упаривать сахар без нитрата, сахар легко кристаллизуется, а растворённый нитрат этому препятствует. К полученному сиропу добавляется остальной нитрат, размолотый с окисью железа. Топливо легко смешивается, текучесть его примерно такая же, как у стандартной карамели. При охлаждении сразу затвердевает.

Топливо гигроскопично, на открытом воздухе быстро покрывается жидкостью. Эта шашка хранилась полгода в двух тонких полиэтиленовых пакетах, за это время примерно 3-4 мм наружного слоя топлива стали мягкими, я этот слой не счищал.

Состав K123. Натриевая сахарная карамель + 10% Al.

66% NaNO3
33% сахар
1% FeOOH
+10% Al

Изготовление аналогично K122. Состояние после хранения такое же, как у K122.

Это был первый испытанный мною состав карамели с алюминием. Я не знал, насколько сильно алюминий увеличивает скорость горения, поэтому поставил такое же сопло, как для состава K122, Kn = 371. Сопло разгорелось с 4 мм до овала размером 5 мм на 6 мм, на внутренней поверхности канала хорошо видны мелкие волны утекающего металла. Скорее всего это связано в основном с очень большим давлением в двигателе, а не только с температурой, потому что другие топлива, даже с 20% алюминия, никакого разгара не давали.

Состав K137. Натриевая сорбитовая карамель + 10% алюминия.

66% NaNO3
33% сорбит
1% FeOOH
+10% Al

Топливо изготавливалось методом плавления. Легко смешивается, текучесть немного выше, чем у стандартной карамели. За три дня топливо не затвердело, получился полутвёрдый пластилин. На открытом воздухе поверхность топлива покрывается твёрдой корочкой, которая постепенно начинает подниматься волнами, разрушая поверхность. Эрозия сопла отсутствует. В двигателе осталось совсем немного пористого шлака, алюминия в шлаке нет.

 

Шашки составов K136, K132, K133, K137. Изготовлены методом заливки в несклеенную трубку.

 

Результаты испытаний.

Размеры и вес шашек K122 и K123 примерные, потому что сразу после изготовления я их не измерил, а после хранения и частичного намокания взвешивать уже не было смысла.

 № 

K136

K132

K133

K122

K123

K137

Состав

65% KNO3
35% сорбит

65% KNO3
35% сорбит
+10% Al

65% KNO3
35% сорбит
+20% Al

66% NaNO3
33% сахар
1% FeOOH

66% NaNO3
33% сахар
1% FeOOH
+10% Al

66% NaNO3
33% сорбит
1% FeOOH
+10% Al

Вес топлива, г

124.00

121.42

122.30

120

120

121.07

Наруж. диам. мм

37.5

37.5

37.5

37.5

37.5

37.5

Внутр. Диам. мм

13.4

13.4

13.4

13.4

13.4

13.4

Длина мм

71

67.5

66

65

65

63

Плотность г/мл

1.81

1.87

1.92

1.9

1.9

1.99

Теор. Плотн. г/мл

1.85

1.90

1.95

1.99

2.04

1.99

Диам. сопла мм

5.5

5.5

5.5

4

4

5.5

Kn нач.

207

201

198

371

371

193

Kn макс.

250

238

232

432

432

222

Время горения с

2.04

1.12

1.76

2.40

0.64

1.08

Скорость горения мм/с

5.91

10.76

6.85

5.02

18.83

11.16

Теор. удельный импульс

153

174

189

169

188

187

Теор. темп. горения °C

1330

1713

2054

1800

2059

1957

Файл PROPEP

K136

K132

K133

K122

K123

K137

Видео, WMV9, ближний план

339 KB

456 KB

512 KB

286 KB

243 KB

628KB

Дальний план

294 KB

284 KB

251 KB

 

 

256 KB

 

Выводы.

  1. Алюминий прекрасно горит в составе карамельного топлива, несмотря на относительно низкую температуру. Очевидно, это связано с тем, что щелочные продукты горения (KOH, K2CO3, NaOH, Na2CO3) способствуют разрушению защитной оксидной плёнки на алюминии. Вероятно, добавка KNO3 или NaNO3 к топливам на основе нитрата аммония может улучшить сгорание алюминия.
  2. На основе простых карамельных составов можно получить топлива с высоким удельным импульсом, хорошим пламенем и дымом. Но нельзя забывать об опасности, указанной в начале страницы!

 

15.05.2005 Serge77

Рейтинг@Mail.ru