CC BY
33
УДК 54-44
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕДНОГО КАТАЛИЗАТОРА
В КОСМИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ
*
О. С. Шмелёв , Э. A. Keep, В. А. Бутаков, С. В. Киселев Научный руководитель - А. В. Кравченко
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», 31
E-mail: shmelyo.oleg@yandex.ru
Рассматривается перспектива использования алюминиевых добавок с медным катализатором, используемых в различных ракетных и космических отраслях, для применения в различных технологиях.
Ключевые слова: твердотопливный ракетный двигатель, твердое ракетное топливо, смесевые твердые топлива, алюминиевые добавки, медь.
PROSPECTS FOR THE APPLICATION OF COPPER CATALYST IN THE SPACE INDUSTRY
O. S. Shmelev*, E. A. Keer, V. A. Butakov, S. V. Kiselev Scientific supervisor - A. V. Kravchenko
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: shmelyo.oleg@yandex.ru
The prospect is considered of using aluminum additives with a copper catalyst used in various rocket and space industries, for used in various technologies.
Keywords: solid propellant rocket engine, solid rocket fuel, composite solid fuels, aluminum additives, copper.
На функционирование ракеты влияет множество факторов, одним из главных является выбор топлива.
Топливо или его компоненты должны иметь (или обладать) следующими свойствами:
1. Наибольшую теплопроизводительность, для получения максимального массового удельного импульса.
2. Наибольшей плотностью, минимальной токсичностью, стабильностью и дешевизной (в производстве, логистике и утилизации).
3. Наибольшее значение газовой постоянной или наименьшую молекулярную массу продуктов сгорания, что даст максимальный объем истечения и великолепный удельный импульс тяги.
4. Умеренную температуру сгорания (не более 4500 К), иначе всё сгорит или прогорит. Не быть взрывоопасными. Самовоспламеняться при определённых условиях.
5. Максимальную скорость сгорания. Это обеспечит минимальный вес и объём камеры сгорания.
6. Минимальный период задержки воспламенения, так как плавный и надёжный запуск ракетного двигателя играет значительную роль [1].
На сегодняшний день одним из самых распространенных видов такого топлива является твердое ракетное топливо (ТРТ).
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2020. Том 1
Обычно для повышения характеристик топлива к ним добавляют различные примеси, такие топлива называются смесевыми. Смесевые твердые топлива (СТТ) состоят из твердого горючего и окислителя. Наиболее известные окислители:
1. Перхлораты: аммония (NH4CIO4), лития (LiC104), калия (KCIO4).
2. Нитраты (селитры): калия (KNO3), аммония (NH4N03) и другие.
3. Динитрамид аммония (NH4N(N02)2).
4. В качестве горючего используются:
5. Металлы или их сплавы (алюминий, магний, литий, бериллий), гидриды металлов.
6. Полимеры и смолы (полиэтилен, полиуретан, полибутадиен, каучук, битум).
7. Другие вещества, например полисульфиды, бор, углерод.
В современных твердотопливных двигателях большой мощности чаще всего применяют смесь перхлората аммония с алюминием и каучуками. Иногда вместо каучуков используют полиуретан, что позволяет повысить срок годности шашки ТРТ и увеличить её жёсткость, но, в ущерб технологичности производства. Алюминий является основным источником тепловой энергии благодаря высокой теплотворности реакции окисления. Однако ввиду высокой температуры кипения оксид алюминия в реактивной струе твердотопливный ракетный двигатель (РДТТ) является твёрдым веществом и не совершает термодинамической работы при расширении в сопле. Поэтому основным источником газообразных продуктов является полимерное связующее. Примесь твёрдых продуктов сгорания ТРТ увеличивает внутреннее трение в реактивной струе газов, что снижает КПД работы РДТТ. Удельный импульс такого топлива около 250—280 секунд [2].
Энергетика ТРТ для ряда ракет военного назначения (ЗУР, МБР, УР воздушного боя и пр.) повышается добавкой октогена в ТРТ, это несколько ухудшает эксплуатационные свойства, но позволяет увеличить удельный импульс тяги ТРТ.
СТТ являются более дорогими и сложными в производстве ТРТ, но, они обеспечивают высокие энергетические характеристики и позволяют производить шашки практически любого размера (до нескольких сотен тонн и более)
Помимо горючего и окислителя в состав ракетного топлива может входить катализатор, который нужен для снижения энергии ее активации и ускорения.
Сегодня в качестве горючего в твердом ракетном топливе применяются циклические нитрамины. Но существующие катализаторы — производные стеариновой кислоты — практически никак не влияют на эффективность процесса окисления этих соединений. Это накладывает ограничения на скорость горения топлива. Поэтому исследователи уже давно стараются найти новые катализаторы для горения различных видов топлива.
Свой вариант предложили и российские ученые. В их модельной системе в качестве горючего выступал порошок алюминия. Для катализа реакции ученые использовали нано- и микродобавки алюминия, бора, цинка, никеля, меди, молибдена и их оксидов. Оказалось, что бор увеличил скорость горения алюминизированного топлива на 10%, цинк — от 130% до 260% в зависимости от давления в камере сгорания, а медь — на 500%, то есть в пять раз.
«Традиционно для катализа многих реакций используется именно медь, — отметил главный автор разработки, профессор НИТУ «МИСиС» Александр Громов. — Она проявляет особую активность и в процессах горения. Однако до настоящего времени не было понятно, как нанопорошок меди влияет на процесс горения реактивного топлива» [3].
Мы предлагаем использовать данную разработку не только в ракетном топливе, но и во взрывчатых веществах, основанных на алюминиевых добавках. Медь увеличит скорость горения алюминиевых добавок, что увеличит удельный импульс. Например, данную технологию можно применить в качестве топлива для взрывчатых устройств (гранат, мин), что значительно увеличит радиус поражения и скорость полёта осколков. Также, полученное СТТ можно использовать как добавку для порохового заряда боеприпасов, что увеличит дальность полёта пули и её пробивную способность.
Библиографические ссылки
1. Сага о ракетных топливах [Электронный ресурс]. URL: https://habr.com/ru/post/401795/ (дата обращения: 01.03.2020).
2. Твёрдое ракетное топливо [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/% D0%A2%D0%B2%D1%91%D1%80%D0%B4%D0%BE%D0%B5_%D10/o800/oD0%B0%D0%BA %D0%B5%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B 5_%D1%82%D0%BE%D0%BF%D0%BB%D0 %B8%D0%B2%D0%BE (дата обращения: 8.3.2020).
3. Добавка для ракетного топлива [Электронный ресурс]. URL: https://indicator.ru/ chemistry-and-materials/raketnogo-topliva-nailuchshuyu-dobavku-25-02-2020.htm (дата обращения: 12.3.2020).
© Шмелев О. С., Keep Э. А., Бутаков В. А., Киселев С. В., 2020
