унитарное топливо

Формула изобретения

Унитарное топливо, состоящее из жидкого окислителя и горючих веществ, заключенных в гранулы с оболочкой из твердого полимерного материала, отличающееся тем, что гранулы горючего содержат полимерные материалы в смеси с гидридами металлов или углеродом в различных модификациях.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к унитарному высокоэнергетическому топливу, предназначенному для ракетных двигателей, а также может использоваться для горелок, применяемых в различных технологических процессах, связанных с добычей вязких и загрязненной песком нефти, с проходкой скальных пород, с образованием в них отверстий, шурфов и т.д.

Известно унитарное топливо (патент США № 3523839 от 1970 г.), состоящее из твердого окислителя, заключенного в капсулы из легкого металла, с атомным весом не выше 27 и плотного, устойчивого к растворителям полимера. Капсулы служат горючим в этом топливе и одновременно предотвращают взаимодействие топлива с окислителем. В качестве твердого окислителя предполагается перхлорат аммония, перхлорат лития или перхлорат нитрония. Рассмотренный прототип унитарного топлива предназначен для использования в твердотопливных двигателях и требует повышенных мер предосторожности при хранении. Недостатками данного унитарного топлива являются невысокая скорость истечения струи, сложности с его хранением и необходимость термостатирования перед использованием.

Наиболее близким к заявленному унитарному топливу является топливо (патент RU 2128684, C10L 1/00, C10L 3/00, C10L 7/00, опубл. 15.10.1996 г.), состоящее из жидкого кислорода с газообразным, жидким или гелеобразным горючим, заключенным в капсулы из твердого полимерного материала. В топливе, рассмотренном в качестве аналога, жидкий окислитель и капсулы с горючим хранятся отдельно и соединяются вместе в баковой системе перед его применением. Это упрощает хранение топлива и делает его безопасным при хранении. Использование жидких окислителей в унитарном топливе позволяет применить его в горелках и в двигателях, существенно поднять скорость истечения струи. Недостатками данного унитарного топлива является использование в капсулах горючего химических элементов (водорода и др.) в газообразном состоянии при высоких давлениях, а также в жидком и гелеобразном виде. Упомянутое унитарное топливо из-за повышенной опасности при его применении препятствует получению заявленного результата.

Технический результат заключается в повышении безопасности при использовании, увеличении плотности и энергетических характеристик топлива, а также повышении технологичности получения топлива.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в унитарном топливе, состоящем из жидкого окислителя и горючих веществ, заключенных в гранулы с оболочкой из твердого полимерного материала, согласно изобретению гранулы горючего содержат полимерные материалы в смеси с гидридами металлов или углеродом в различных модификациях.

Использование твердых гранул горючего повышает безопасность при работе, кроме того, отсутствие жидкой или газообразной фазы в грануле повышает технологичность получения топлива. Применение энергоемких составляющих в гранулах горючего, таких как гидрид алюминия, снижает объем емкости хранения топлива (и соответственно массы на 20÷25%) за счет увеличения плотности унитарного топлива и увеличивает энергетические характеристики.

Примеры реализации изобретения

1. Унитарное топливо, состоящее из водного раствора аммиачной селитры (окислитель) с гранулами из смеси полиэтилена или полипропилена с графитом в качестве горючего, предназначено для использования в горелках для разогрева высоковязкой нефти и битумных песков. Горелки, размещенные в скважинах месторождений высоковязкой нефти и природных битумов, разогревают нефть до состояния текучести и позволяют осуществлять ее добычу. Данное унитарное топливо существенно повышает безопасность и эффективность парогазового способа добычи высоковязкой нефти.

2. Унитарное топливо, состоящее из водного раствора аммиачной селитры и гранул из полиэтилена с гидридом алюминия. Обладая высокой энергией и скоростью истечения продуктов сгорания с частицами окиси алюминия, это топливо может использоваться в высокотемпературных горелках для обработки металлов, бетонов и скальных пород.

3. Унитарное топливо находится в одном баке и состоит из жидкого кислорода (Т=55 91 K) и размещенных в нем равномерно по всему объему гранул из смеси полиэтилена и гидрида алюминия. Плотность жидкого кислорода 1140 кг/м³. Диаметр гранул от 10 до 500 микрон. Весовая доля гидрида алюминия в грануле, состоящей из гидрида алюминия и полиэтилена, составляет порядка 30%. Плотность гранул равна плотности жидкого кислорода 1,14 т/м³. В унитарном топливе гранулы находятся во взвешенном состоянии. Массовое отношение кислорода к горючему в данном унитарном топливе доходит до 0,8. Использование этого унитарного топлива позволяет получать скорость истечения в пустоту до 4570 м/с. Многопараметрические массовые термодинамические расчеты эффективности унитарного топлива производились с использованием известного программного обеспечения «Astra», разработанного в МГТУ им. Н.Э.Баумана. Результаты, приведены в следующей таблице :

Результаты термодинамических расчетов
Массовый состав	Массовое отношение окислителя O2 к горючему
	0,795	0,818	1,000	1,222	1,5
O2	0,443	0,45	0,5	0,55	0,6
AlH3	0,428	0,423	0,385	0,346	0,308
(CH2)n	0,129	0,127	0,115	0,104	0,092
Параметры, по которым происходит сравнение
Скорость истечения, м/с	4427	4570	4252	4201	4043
Температура горения T, K	3875	3935	4252	4447	4547

Из таблицы видно, что в зависимости от соотношения компонентов в грануле и соотношения между кислородом и горючим (гранулами) возможно получить скорость истечения продуктов сгорания 4570 м/с. Применение в гранулах гидрида алюминия позволяет получить скорость истечения на уровне топлива кислород-водород, но при плотности не 360 кг/м³ , а 1140 кг/м³, что дает возможность более чем в три раза уменьшить объем топливных баков.

Использование предлагаемого унитарного топлива с более высокой плотностью позволяет существенно сократить объемы емкостей для хранения и транспортировки топлива, а также перейти к однобаковой системе хранения топлива.

Важно, что топлива с гидридом алюминия, струи которого обладают высокой температурой, скоростью и сильным абразивным действием, могут найти применение во многих технологических процессах, связанных с проходкой скальных пород, с образованием в них отверстий, шурфов и т.д.