Композитное топливо на основе перхлората аммония ( APCP ) - современное топливо, используемое в ракетных двигателях твердого топлива . Он отличается от многих традиционных твердых ракетных топлив, таких как черный порох или цинк-сера , не только по химическому составу и общим характеристикам, но и по характеру обработки. APCP отливают в форму, в отличие от прессования порошка, как с черным порошком. Это обеспечивает регулярность и повторяемость производства, которые являются необходимыми требованиями для использования в аэрокосмической промышленности.
Использует
Композитный пропеллент на основе перхлората аммония обычно используется в авиакосмических силовых установках, где желательны простота и надежность и достаточны удельные импульсы (в зависимости от состава и рабочего давления ) длительностью 180–260 секунд. Из - за этих атрибутов производительности, APCP регулярно осуществляется в бустерных приложений , таких как в твердотопливных ракетных ускорителях Space Shuttle , самолетов выталкивания мест и разведки специальность пространство приложений , таких как НАСА Mars Exploration Rover этапе спуска тормозные двигатели . Кроме того, сообщество мощных ракетостроителей регулярно использует APCP в виде коммерчески доступных «перезагрузок» топлива, а также одноразовых двигателей. Опытные экспериментаторы и ракетчики-любители также часто работают с APCP, обрабатывая APCP самостоятельно.
Состав
Обзор
Композитный пропеллент на основе перхлората аммония - это составной пропеллент, что означает, что в нем есть топливо и окислитель, смешанные с каучукообразным связующим , все они объединены в гомогенную смесь. Пропеллент чаще всего состоит из перхлората аммония (AP), эластомерного связующего, такого как полибутадиен с концевыми гидроксильными группами (HTPB) или форполимер акрилонитрила полибутадиенакриловой кислоты (PBAN), металлический порошок (обычно алюминий ) и различные катализаторы скорости горения . Кроме того, отверждающие добавки вызывают сшивание эластомерного связующего для отверждения пропеллента перед использованием. Перхлорат служит окислителем , а связующее и алюминий - топливом . Катализаторы скорости горения определяют скорость горения смеси. Полученное отвержденное топливо является довольно эластичным (эластичным), что также помогает ограничить разрушение во время накопленных повреждений (таких как транспортировка, установка, резка) и приложений с высоким ускорением, таких как хобби или военная ракетная техника. Это включает в себя миссии Space Shuttle , в которых APCP использовался для двух SRB.
Состав APCP может значительно варьироваться в зависимости от области применения, предполагаемых характеристик горения и ограничений, таких как тепловые ограничения сопла или удельный импульс (Isp). Приблизительные массовые пропорции (в конфигурациях с высокими рабочими характеристиками), как правило, составляют около 70/15/15 AP / HTPB / Al, хотя с довольно высокими характеристиками «малодымный» может иметь состав 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 пропеллента (для ограничения чрезмерного предварительного нагрева пропеллента инфракрасным излучением ) и повышения температуры дымовых газов (увеличения Isp).
Общие виды
Окислители:
- Перхлорат аммония как первичный окислитель
- Металлооксидные катализаторы как термитные окислители
Высокоэнергетическое топливо:
- Алюминий (высокопроизводительный, наиболее распространенный)
- Магний (средняя производительность)
- Цинк (низкая производительность)
Низкоэнергетическое топливо, действующее как связующее:
- Полибутадиен с концевыми гидроксильными группами (HTPB)
- Полибутадиен с концевыми карбоксильными группами (CTPB)
- Полибутадиенакрилонитрил (PBAN)
Особые соображения
Хотя увеличение соотношения металл-топливо к окислителю до стехиометрической точки увеличивает температуру сгорания, присутствие увеличивающейся мольной доли оксидов металлов, особенно оксида алюминия (Al 2 O 3 ), осаждающегося из газообразного раствора, создает глобулы твердых частиц или жидкости, которые замедляют скорость потока по мере увеличения средней молекулярной массы потока. Кроме того, изменяется химический состав газов, изменяя эффективную теплоемкость газа. Из-за этих явлений существует оптимальный нестехиометрический состав для максимизации Isp примерно 16% по массе, если предположить, что реакция горения завершается внутри камеры сгорания .
Время горения частиц алюминия в горячем газе сгорания зависит от размера и формы частиц алюминия. В небольших двигателях APCP с высоким содержанием алюминия время пребывания газов сгорания не позволяет полностью сгорать алюминия, 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 лимитирующим путем, поскольку капли жидкого алюминия (даже все еще жидкие при температуре 3000 K) ограничивают реакцию гетерогенной поверхности раздела глобул, что делает отношение площади поверхности к объему важным фактором при определении продолжительности горения. время и требуемый размер / длина камеры сгорания.
Размер частицы
Гранулометрический состав ракетного топлива оказывает сильное влияние на характеристики ракетного двигателя APCP. Более мелкие 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 этапом, ограничивающим общую скорость сгорания APCP. Это явление можно объяснить, рассматривая отношение теплового потока к массе: по мере увеличения радиуса частицы объем (и, следовательно, масса и теплоемкость) увеличивается как куб радиуса. Однако площадь поверхности увеличивается как квадрат радиуса, который примерно пропорционален тепловому потоку в частицу. Следовательно, скорость повышения температуры частицы максимальна, когда размер частицы минимален.
Обычные составы APCP требуют частиц AP 30–400 мкм (часто сферических), а также частиц алюминия 2–50 мкм (часто сферических). Из-за несоответствия размеров AP и Al, Al часто занимает промежуточное положение в псевдорешетке AP-частиц.
Характеристики
Геометрический
APCP дефлагрирует от поверхности экспонированного топлива в камере сгорания. Таким образом, геометрия топлива внутри ракетного двигателя играет важную роль в общих характеристиках двигателя. По мере горения поверхности метательного взрывчатого вещества его форма эволюционирует (предмет изучения внутренней баллистики), чаще всего изменяя площадь поверхности метательного взрывчатого вещества, подверженную воздействию дымовых газов. Поток массы (кг / с) [и , следовательно , давление] газообразных продуктов сгорания , генерируемых является функцией мгновенной площади поверхности (м 2 ), плотность топлива (кг / м 3 ), и линейная скорость горения (РС):
В зависимости от области применения и желаемой кривой тяги часто используются несколько геометрических конфигураций :
Моделирование круглого отверстия
Моделирование C-слота
Моделирование горелки луны
5-точечное моделирование финоцилов
- Круглый канал ствола: в конфигурации BATES создает прогрессивно-регрессивную кривую тяги.
- Торцевая горелка: топливо горит от одного осевого конца к другому, образуя устойчивое продолжительное горение, но с тепловыми проблемами, смещением ЦТ.
- С-образный паз: порох с большим клином, вырезанным сбоку (в осевом направлении), создающий довольно длительную регрессивную тягу, но имеет тепловые трудности и асимметричные характеристики ЦТ.
- Лунная горелка: смещенное от центра круглое отверстие дает прогрессивно-регрессивное продолжительное горение, хотя имеет небольшую асимметричную характеристику ЦТ.
- Финоцил: обычно имеет форму звезды с пятью или шестью ножками, которая может производить очень ровную тягу с немного более быстрым горением, чем круглое отверстие, из-за увеличенной площади поверхности.
Скорость сжигания
Хотя площадь поверхности может быть легко изменена путем тщательного геометрического проектирования пороха, скорость горения зависит от нескольких тонких факторов:
- Химический состав пороха.
- AP, Al, аддитивные размеры частиц.
- Давление сгорания.
- Характеристики теплопередачи .
- Эрозионное горение (высокоскоростной поток, движущийся мимо пороха).
- Начальная температура топлива.
В целом, однако, большинство составов имеют скорость горения от 1–3 мм / с при стандартном давлении до 6–12 мм / с при 68 атм. Характеристики горения (такие как линейная скорость горения) часто определяют перед запуском ракетного двигателя с помощью теста на прядильную горелку . Этот тест позволяет производителю APCP определить скорость горения как функцию давления. Эмпирически APCP довольно хорошо придерживается следующей модели степенной функции:
Стоит отметить, что обычно для APCP 0,3
Применение в модели / ракетной технике большой мощности
Коммерческие ракетные двигатели APCP обычно бывают в виде перезаряжаемых моторных систем (RMS) и полностью собранных одноразовых ракетных двигателей. Для RMS « зерна » APCP (баллоны с топливом) загружаются в многоразовый корпус двигателя вместе с последовательностью изолирующих дисков и уплотнительных колец и соплом ( графитовая или стеклонаполненная фенольная смола ). Корпус двигателя и крышки обычно покупаются отдельно у производителя двигателя и часто подвергаются прецизионной механической обработке из алюминия. Собранный RMS содержит как многоразовые (обычно металлические), так и одноразовые компоненты.
Основными поставщиками APCP для хобби являются:
- Aerotech Consumer Aerospace
- Cesaroni Technology
- Loki Research
- Горилла Ракетные Моторы
Для достижения различных визуальных эффектов и летных характеристик поставщики APCP-хобби предлагают множество различных типов топлива. Они могут варьироваться от быстрого горения с небольшим количеством дыма и голубого пламени до классического белого дыма и белого пламени. Кроме того, доступны цветные рецептуры 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. Слитки спрессованного черного пороха становятся склонными к разрушению в более крупных приложениях, что может привести к катастрофическому отказу ракетных транспортных средств. Эластичные свойства материала APCP делают его менее уязвимым к разрушению в результате случайного удара или полетов с высоким ускорением. Благодаря этим характеристикам широкое распространение APCP и связанных с ним типов топлива в хобби значительно повысило безопасность ракетной техники.
Экологические и другие проблемы
Выхлоп твердотопливных ракетных двигателей APCP содержит в основном воду , диоксид углерода , хлористый водород и оксид металла (обычно оксид алюминия ). Хлороводород может легко растворяться в воде и образовывать коррозионную соляную кислоту . Экологическая судьба хлористого водорода недостаточно документирована. Компонент соляной кислоты в выхлопных газах APCP приводит к конденсации атмосферной влаги в шлейфе, что усиливает видимые следы инверсионного следа. Эта видимая подпись, среди других причин, привела к исследованиям более чистых горючего топлива без видимых подписей. Пропелленты с минимальной сигнатурой содержат в основном богатые азотом органические молекулы (например, динитрамид аммония ) и в зависимости от их источника окисления могут гореть сильнее, чем составные топлива APCP.
Регулирование и законность
В Соединенных Штатах использование APCP для хобби косвенно регулируется 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 покупки определенных импульсных двигателей (типоразмеров). NAR и TRA требуют, чтобы производители двигателей сертифицировали свои двигатели для распространения среди поставщиков и, в конечном итоге, любителей. Поставщик несет ответственность (NAR и TRA) за проверку любителей на предмет сертификации ракет большой мощности перед тем, как будет совершена продажа. Количество APCP, которое может быть приобретено (в виде перезарядки ракетного двигателя), коррелирует с классификацией импульсов, и поэтому количество APCP, которое может приобрести любитель (в любом одном комплекте для перезарядки), регулируется NAR и TRA.
Общая законность, касающаяся применения APCP в ракетных двигателях, изложена в NFPA 1125. Использование APCP вне хобби регулируется государственными и муниципальными нормами пожарной безопасности. 16 марта 2009 г. было решено, что APCP не является взрывчатым веществом и что для производства и использования APCP больше не требуется лицензия или разрешение от ATF . [1]
Сноски
- ^ 7 ИЮЛЯ 2009 ОТКРЫТОЕ ПИСЬМО ВСЕМ ФЕДЕРАЛЬНЫМ ЛИЦЕНЗИЯМ И РАЗРЕШЕНИЯМ НА ВЗРЫВЧАТКИ
Рекомендации
- Элементы силовой установки ракеты. Саттон, Джордж П.
- Любительские экспериментальные твердотопливные топлива , Ричард Накка
- Скорость горения твердого ракетного топлива , Ричард Накка
- Введение в твердое движение Грэма Орра, Колледж экспериментальной инженерии Харви Мадда
- Документы иска BATFE, 2002 г. - настоящее время, Триполиская ассоциация ракетостроителей