Композитное топливо на основе перхлората аммония

Комбинированное топливо на основе перхлората аммония ( APCP ) представляет собой твердое ракетное топливо . Оно отличается от многих традиционных видов твердого ракетного топлива, таких как черный порох или цинк-сера , не только по химическому составу и общим характеристикам, но и тем, что ему придается форма, а не прессование пороха . ^{[ сломанный якорь ]} как и с черным порохом. Это обеспечивает регулярность и повторяемость производства, которые являются необходимыми требованиями для использования в аэрокосмической промышленности.

Использование

Композитное топливо на основе перхлората аммония обычно используется в аэрокосмических ракетных двигателях, где желательны простота и надежность, а удельные импульсы (в зависимости от состава и рабочего давления ) 180–260 с (1,8–2,5 км/с) достаточны. Из-за этих характеристик APCP используется в твердотопливных ракетных ускорителях космических кораблей , катапультных креслах самолетов и специальных приложениях для исследования космоса, таких как ракеты спускаемых ступеней ретро- марсохода НАСА . Кроме того, сообщество ракетостроителей большой мощности регулярно использует APCP в виде коммерчески доступных пороховых «перезарядок», а также двигателей одноразового использования. Опытные ракетчики-экспериментаторы и любители также часто работают с APCP, обрабатывая APCP самостоятельно.

Состав

Обзор

Композиционное топливо на основе перхлората аммония представляет собой композиционное топливо, что означает, что оно содержит и топливо, и окислитель, объединенные в гомогенную смесь, в данном случае с каучуковым связующим в составе топлива. Пропеллент чаще всего состоит из перхлората аммония (AP), эластомерного связующего, такого как полибутадиен с концевыми гидроксильными группами (HTPB) или преполимер акрилонитрила полибутадиен-акриловой кислоты (PBAN), порошкообразного металла (обычно алюминия ) и различных скорости горения катализаторов . Кроме того, отверждающие добавки вызывают эластомерного связующего сшивку , что приводит к затвердеванию топлива перед использованием. Перхлорат служит окислителем , а связующее и алюминий служат топливом . Катализаторы скорости горения определяют, насколько быстро сгорает смесь. Полученное отвержденное топливо является достаточно эластичным (резиновым), что также помогает ограничить разрушение во время накопления повреждений (например, при транспортировке, установке, резке) и в приложениях с высокими ускорениями , таких как хобби или военная ракетная техника. Сюда входят миссии космического корабля "Шаттл" , в которых APCP использовался для двух SRB.

Состав APCP может значительно варьироваться в зависимости от применения, предполагаемых характеристик горения и ограничений, таких как сопла температурные ограничения или удельный импульс (I _sp ). Приблизительные массовые пропорции (в высокопроизводительных конфигурациях) обычно составляют около 70/15/15 AP/HTPB/Al, хотя довольно высокопроизводительные «малодымные» могут иметь составы примерно 80/18/2 AP/HTPB/Al. Хотя металлическое топливо не требуется в APCP, большинство составов включают по крайней мере несколько процентов в качестве стабилизатора горения, глушителя топлива (для ограничения чрезмерного инфракрасного предварительного нагрева топлива) и повышения температуры дымовых газов (увеличение I _sp ).

Общие компоненты

окислители

Перхлорат аммония как основной окислитель.
Металлооксидные катализаторы как термитные окислители

Высокоэнергетическое топливо

Алюминий (высокоэффективный, наиболее распространенный)
Магний (средняя производительность)
Цинк (низкая производительность)

Низкоэнергетическое топливо, действующее как связующее

Особые соображения

Хотя увеличение соотношения металл-топливо к окислителю до стехиометрической точки увеличивает температуру горения, присутствие увеличивающейся молярной доли оксидов металлов, особенно оксида алюминия (Al ₂ O ₃ ), осаждающихся из газообразного раствора, создает глобулы твердых или жидкости, которые замедляют скорость потока по мере увеличения средней молекулярной массы потока. Кроме того, изменяется химический состав газов, варьируя эффективную теплоемкость газа. Из-за этих явлений существует оптимальный нестехиометрический состав для максимизации Isp, составляющий примерно 16% по массе, при условии, что реакция сгорания доходит до завершения внутри камеры сгорания .

Время сгорания частиц алюминия в горячем дымовом газе варьируется в зависимости от размера и формы частиц алюминия. В небольших двигателях APCP с высоким содержанием алюминия время пребывания газов сгорания не позволяет полностью сжечь алюминий, и, таким образом, значительная часть алюминия сгорает вне камеры сгорания, что приводит к снижению производительности. Этот эффект часто смягчается за счет уменьшения размера частиц алюминия, создания турбулентности (и, следовательно, большой характерной длины пути и времени пребывания) и/или за счет уменьшения содержания алюминия, чтобы обеспечить среду горения с более высоким чистым окислительным потенциалом, обеспечивая более полный алюминий. горение. Сгорание алюминия внутри двигателя является путем, ограничивающим скорость, поскольку капли жидкость-алюминий (даже жидкие при температуре 3000 К) ограничивают реакцию до гетерогенной границы раздела глобул, что делает соотношение площади поверхности к объему важным фактором при определении места сгорания. время и требуемый размер/длину камеры сгорания.

Размер частиц

Распределение частиц топлива по размерам оказывает глубокое влияние на характеристики ракетного двигателя APCP. Меньшие частицы AP и Al приводят к более высокой эффективности сгорания , но также приводят к увеличению линейной скорости горения. Скорость горения сильно зависит от среднего размера частиц AP, поскольку AP поглощает тепло для разложения в газ, прежде чем он сможет окислить компоненты топлива. Этот процесс может быть лимитирующей стадией общей скорости сгорания APCP. Это явление можно объяснить, рассматривая соотношение теплового потока к массе: по мере увеличения радиуса частицы объем (и, следовательно, масса и теплоемкость) увеличивается пропорционально кубу радиуса. Однако площадь поверхности увеличивается пропорционально квадрату радиуса, который примерно пропорционален тепловому потоку в частицу. Следовательно, скорость повышения температуры частицы максимальна, когда размер частицы минимизирован.

Обычные составы APCP требуют использования частиц AP размером 30–400 мкм (часто сферических), а также частиц Al размером 2–50 мкм (часто сферических). Из-за несоответствия размеров AP и Al Al часто занимает межузельное положение в псевдорешетке частиц AP.

Характеристики

Геометрический

APCP сгорает с поверхности открытого топлива в камере сгорания. Таким образом, геометрия топлива внутри ракетного двигателя играет важную роль в общих характеристиках двигателя. По мере горения поверхности пороха форма меняется (предмет изучения внутренней баллистики), чаще всего изменяется площадь поверхности пороха, подвергающаяся воздействию дымовых газов. Массовый поток (кг/с) [и, следовательно, давление] образующихся дымовых газов является функцией мгновенной площади поверхности. $A_{\text{s}}$ (м ²), плотность пороха $\rho$ (кг/м ³) и линейная скорость горения $b_{r}$ (РС):

{\dot {m}}=\rho A_{\text{s}}b_{r}

В зависимости от применения и желаемой кривой тяги часто используются несколько геометрических конфигураций :

Моделирование круглого отверстия
Моделирование C-слота
Моделирование лунной горелки
5-точечная симуляция финоцила

Круглое отверстие: в конфигурации BATES создается прогрессивно-регрессивная кривая тяги.
Концевая горелка: топливо горит от одного осевого конца к другому, обеспечивая устойчивое длительное горение, хотя и имеет термические трудности, смещение центра тяжести.
C-паз: порох с большим клином, вырезанным сбоку (в осевом направлении), обеспечивающим довольно длительную регрессивную тягу, но имеет термические трудности и асимметричные характеристики ЦТ.
Лунная горелка: смещенное от центра круглое отверстие обеспечивает прогрессивно-регрессивное длительное горение, хотя имеет небольшую асимметричную центральную гравитацию.
Финоцил: обычно звездообразная форма с 5 или 6 ножками, которая может производить очень равномерную тягу, с немного более быстрым горением, чем с круглым отверстием, из-за увеличенной площади поверхности.

Скорость сжигания

Хотя площадь поверхности можно легко изменить путем тщательного геометрического проектирования пороха, скорость горения зависит от нескольких тонких факторов:

Химический состав топлива.
AP, Al, размеры частиц добавок.
Давление сгорания.
Характеристики теплопередачи .
Эрозионное горение (высокоскоростной поток, обтекающий топливо).
Начальная температура топлива.

Подводя итог, однако, большинство составов имеют скорость горения от 1–3 мм/с при STP до 6–12 мм/с при 68 атм. Характеристики горения (например, линейная скорость горения) часто определяются перед запуском ракетного двигателя с помощью испытания нитей горелки . Этот тест позволяет производителю APCP охарактеризовать скорость горения как функцию давления. Эмпирически APCP довольно хорошо придерживается следующей модели степенной функции:

b_{r}=ap^{n}

Стоит отметить, что обычно для APCP n составляет 0,3–0,5, что указывает на то, что APCP чувствителен к докритическому давлению. То есть, если бы площадь поверхности поддерживалась постоянной во время горения, реакция горения не достигла бы (теоретически) бесконечности, поскольку давление достигло бы внутреннего равновесия. Это не означает, что APCP не может вызвать взрыв , просто он не взорвется. Таким образом, любой взрыв будет вызван давлением, превышающим давление разрыва контейнера (ракетного двигателя).

Моделирование/ракетная техника большой мощности

Запуск ракеты большой мощности с использованием двигателя APCP.

Коммерческие ракетные двигатели APCP обычно выпускаются в виде перезаряжаемых двигательных систем (RMS) и полностью собранных одноразовых ракетных двигателей. » APCP Для RMS « зерна (цилиндры с топливом) загружаются в многоразовый корпус двигателя вместе с последовательностью изоляционных дисков и уплотнительных колец, а также соплом ( графит наполненная стеклом или фенольная смола, ). Корпус и крышки двигателя обычно приобретаются отдельно у производителя двигателя и часто изготавливаются из алюминия с высокой точностью. Собранный RMS содержит как многоразовые (обычно металлические), так и одноразовые компоненты.

Основными поставщиками APCP для хобби являются:

Аэротех Потребительская аэрокосмическая промышленность
Чезарони Технология
Локи Исследования
Горилла Ракетные Моторы

Для достижения различных визуальных эффектов и летных характеристик поставщики APCP-любителей предлагают множество типов топлива с различными характеристиками. Они могут варьироваться от быстрого горения с небольшим количеством дыма и синим пламенем до классического белого дыма и белого пламени. Кроме того, цветные составы доступны для отображения красного, зеленого, синего и даже черного дыма.

В ракетах средней и большой мощности APCP в значительной степени заменил черный порох в качестве ракетного топлива. Спрессованные частицы черного пороха становятся склонными к разрушению при более крупных применениях, что может привести к катастрофическому отказу ракетных транспортных средств. Свойства эластичного материала APCP делают его менее уязвимым к разрушению в результате случайного удара или полета с высоким ускорением. Благодаря этим свойствам широкое распространение APCP и связанных с ним типов топлива в хобби значительно повысило безопасность ракетной техники.

Экологические и другие проблемы

Выхлопы твердотопливных ракетных двигателей APCP содержат в основном воду , углекислый газ , хлористый водород и оксид металла (обычно оксид алюминия ). Хлороводород легко растворяется в воде и образует едкую соляную кислоту . Экологическая судьба хлористого водорода недостаточно документирована. Компонент соляной кислоты в выхлопных газах APCP приводит к конденсации атмосферной влаги в шлейфе, что усиливает видимость инверсионного следа. Эта видимая сигнатура, среди других причин, привела к исследованиям более чистого горящего топлива без видимых сигнатур. Пороха с минимальной сигнатурой содержат в основном органические молекулы, богатые азотом (например, динитрамид аммония ), и в зависимости от источника окислителя могут гореть более жарко, чем композитные пороха APCP.

Регулирование и законность

В Соединенных Штатах использование APCP для хобби регулируется косвенно двумя неправительственными организациями: Национальной ассоциацией ракетной техники (NAR) и Ассоциацией ракетной техники Триполи (TRA). Оба агентства устанавливают правила, касающиеся импульсной классификации ракетных двигателей и уровня сертификации, требуемого ракетчиками для приобретения определенных импульсных (размерных) двигателей. NAR и TRA требуют, чтобы производители двигателей сертифицировали свои двигатели для распространения среди поставщиков и, в конечном итоге, среди любителей. На продавца возложена обязанность (NAR и TRA) проверять любителей на предмет сертификации ракет большой мощности перед продажей. Количество APCP, которое можно приобрести (в виде перезарядки ракетного двигателя), соответствует импульсной классификации, и поэтому количество APCP, которое может приобрести любитель (в любом отдельном комплекте перезарядки), регулируется NAR и TRA.

Общая законность применения APCP в ракетных двигателях изложена в NFPA 1125. Использование APCP вне хобби регулируется государственными и муниципальными нормами пожарной безопасности. 16 марта 2009 года было постановлено, что APCP не является взрывчатым веществом и что производство и использование APCP больше не требует лицензии или разрешения ATF . ^{[ 1 ]}

Сноски

^ 7 ИЮЛЯ 2009 ГОДА ОТКРЫТОЕ ПИСЬМО ВСЕМ ФЕДЕРАЛЬНЫМ ЛИЦЕНЗИЯМ И ОБЛАДАТЕЛЯМ РАЗРЕШЕНИЙ НА ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА

Ссылки

Элементы ракетного движения. Саттон, Джордж П.
Любительские экспериментальные твердые топлива Ричарда Накка
Скорость сгорания твердого топлива Ричард Накка
Введение в твердотопливный двигатель. Архивировано 3 марта 2016 г. в Wayback Machine Грэмом Орром, Колледж экспериментальной инженерии Харви Мадда.
Документы иска BATFE, 2002 – настоящее время, Ракетная ассоциация Триполи. Архивировано 6 августа 2012 г. в Wayback Machine.

[1] 7 ИЮЛЯ 2009 ГОДА ОТКРЫТОЕ ПИСЬМО ВСЕМ ФЕДЕРАЛЬНЫМ ЛИЦЕНЗИЯМ И ОБЛАДАТЕЛЯМ РАЗРЕШЕНИЙ НА ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА

[ 1 ]