способ стабилизации горения твердого топлива

Формула изобретения

Способ стабилизации горения баллиститных и смесевых твердых топлив, включающий введение в их состав стабилизирующей добавки, отличающийся тем, что в качестве стабилизирующей добавки используют дисилицид титана.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к зарядам из твердых топлив баллиститного или смесевого типа, предназначенным для использования в различных областях промышленности.

Известны способы стабилизации горения за счет введения в топливо стабилизирующих добавок. Для баллиститных топлив это мел, двуокись титана, окись магния и др. Для смесевых - в основном окислы и карбиды металлов, а также ряд других соединений (патент США 382215, кл. 149-19.4. 1974, 3986910, кл. 149-19.9. 1976, 4210474, кл. 149-19.2, 1980).

Добавки тугоплавкие, являются энергетически пассивными компонентами и приводят к снижению удельного импульса топлива. Благодаря неспособности добавок к быстрым физико-химическим превращениям в потоке газов вблизи горящей поверхности они во многих случаях не обеспечивают полной стабилизации процессов горения.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, принятым за прототип, является способ стабилизации горения твердого топлива окисью магния, двуокисью титана, карбонатом кальция или алюминиевого - магниевым сплавом (пат. РФ 2090545, 20.09.1997 г., С 06 В 25/18, С 06 D 5/06 ).

Однако данный способ имеет существенные недостатки:

1 - энергетические показатели топлива достаточно резко снижаются;

2 - способ не позволяет увеличить массовую долю стабилизаторов из-за индивидуальных соединений, которые могли бы увеличить стабилизирующий эффект.

Технической задачей изобретения является разработка более эффективного способа стабилизации горения твердого топлива независимо от его вида (баллиститного или смесевого ) без снижения их энергетических характеристик.

Технический результат достигается за счет использования дисилицида титана (TiSi₂) в качестве стабилизатора горения в виде высокодисперсного порошка, вводимого в топливную массу. Энтальпия образования - -1,7 МДж/кг, плотность - 4,02 г/см³, температура плавления - 1470^oС, молекулярная масса - 104,7, в воде не растворим.

Способ стабилизации с помощью TiSi₂ ранее не применялся. В отличие от других соединений (стабилизаторов горения) эта добавка плавится при более низких температурах и обладает способностью к физико-химическим превращениям в зоне горения, причем вблизи от конденсированной фазы. При этом появление новых окисей приводит к возрастанию массовой доли твердых частиц по сравнению с первоначальным количеством TiSi₂, и, следовательно, к увеличению эффективности TiSi₂ как стабилизатора горения по отношению к другим используемым в качестве стабилизаторов горения соединений.

В конденсированной фазе происходит демпфирование акустических волн на поверхности частиц TiSi₂, которые из-за неодновременного выгорания основных компонентов топлива находятся в определенном микрослое.

Наличие отрицательной энтальпии образования TiSi₂ (у других соединений она положительна) приводит к тому, что сам дисиницид титана вступает в реакции, увеличивая энергетические характеристики топлив, при этом единичный импульс этих топлив выше по отношению к топливам с другими добавками.

Проверку эффективности предлагаемого способа осуществляли в модельных ракетных двигателях, в которых сжигали заряды, изготовленные из опытных шашек топлив. Для баллиститных топлив в качестве наиболее известных стабилизаторов горения были выбраны CaCO₃, MgО и TiO₂. Для смесевых топлив - тугоплавкие соединения, которые предполагались или использовались в качестве стабилизаторов горения TiO₂, ZrO₂, TiC и др.

Заряды имели цилиндрический канал, масса их изменялась от 90 до 200 г. Испытания проводили при различных начальных температурах зарядов в широком интервале давлений с записью изменения давления во времени в камере сгорания и высокочастотных колебаний давления, которые сопровождают нестабильный режим работы двигателя.

Оценку стабилизирующего эффекта осуществляли по характеру горения зарядов. Чем меньше величина нерасчетных взмывов на кривых давление - время, свидетельствующих о нестабильном горении зарядов, тем процесс стабильнее. Полной стабилизации соответствовали кривые без каких-либо взмывов, при этом высокочастотных колебаний давления в камере нет.

Кроме испытаний были также получены расчетные значения единичных импульсов соответствующих топливных композиций. При этом термодинамические расчеты проводили при отношении давления в камере к давлению на срезе сопла (Рk/Рa=10 МПа /0,1 МПа).

Окончательное заключение об эффективности способа получили с учетом результатов испытаний зарядов при том же Р_к и данных единичного импульса. Полной стабилизации процесса горения зарядов должно соответствовать максимальное значение единичного импульса.

Было проведено значительное количество испытаний зарядов при содержании добавок в топливе от 1 до 5%. В большинстве случаев наблюдалось увеличение стабилизирующего эффекта и повышение единичного импульса топлива при введении в топливную массу дисилипида титана.

В таблице, содержащей сведения об исследованных баллиститных и смесевых твердых топливах, приведены оптимальные количества этой добавки, при которой наблюдалась полная стабилизация горения зарядов и одновременно максимальный прирост единичного импульса по отношению к топливом без добавок. Здесь же показаны добавки, при введении которых в топливо в тех же массовых долях наблюдались нестабильные режимы горения зарядов, а также снижение единичного импульса.

Способ был также опробован при отработке канальных зарядов из баллиститного топлива, которые в ракетном двигателе горели в нестабильном режиме. Введение 1% TiSi₂ стабилизировало процесс горения и одновременно привело к увеличению единичного импульса топлива, который не достигается при использовании других добавок.

Применение предлагаемого способа является перспективным, позволяет сократить сроки отработки ракетных двигателей и других устройств, используемых в народном хозяйстве, за счет стабилизации горения зарядов и увеличения энергетических характеристик топлив.