Композитное топливо на основе перхлората аммония - Ammonium perchlorate composite propellant

Композитное топливо на основе перхлората аммония (APCP) это современный топливо используется в твердотопливная ракета транспортных средств. Он отличается от многих традиционных твердых ракетное топливо Такие как черный порошок или же цинк-сера не только по химическому составу и общим характеристикам, но и по характеру обработки. APCP - это В ролях в форму, в отличие от порошковое прессование как с черным порохом. Это обеспечивает регулярность и повторяемость производства, которые являются необходимыми требованиями для использования в аэрокосмической промышленности.

Использует

Перхлорат аммония композитное топливо обычно используется в авиакосмических силовых установках, где желательны простота и надежность и удельные импульсы (в зависимости от состава и действующих давление ) 180–260 секунд. Из-за этих характеристик производительности APCP регулярно внедряется в бустерные приложения, такие как Твердотопливные ракетные ускорители Space Shuttle, самолет катапультные сиденья, и специальные приложения для исследования космоса, такие как НАСА Марсоход для исследования ступень спуска ретророзеты. В дополнение мощная ракетная техника Сообщество регулярно использует APCP в виде коммерчески доступных «перезагрузок» пороха, а также одноразовых двигателей. Опытные экспериментаторы и ракетчики-любители также часто работают с APCP, обрабатывая APCP самостоятельно.

Сочинение

Обзор

Композитный пропеллент на основе перхлората аммония - это составной пропеллент, что означает, что в нем есть топливо и окислитель, смешанные с каучукообразным топливом. связующее, все объединено в однородную смесь. Пропеллент чаще всего состоит из перхлорат аммония (Сковорода эластомер связующее, такое как полибутадиен с концевыми гидроксильными группами (HTPB) или форполимер акрилонитрила полибутадиенакриловой кислоты (PBAN), металлический порошок (обычно алюминий ), и различные скорость горения катализаторы. Кроме того, лечение добавки вызывают эластомер связующее сшивание для отверждения пороха перед использованием. Перхлорат служит окислитель, а связующее и алюминий служат топливо. Катализаторы скорости горения определяют скорость горения смеси. В результате отвержденный пропеллент достаточно эластичный (эластичный), который также помогает ограничить разрушение во время накопленных повреждений (таких как транспортировка, установка, резка) и высоких ускорение приложения, такие как хобби или военная ракетная техника.

Состав APCP может значительно варьироваться в зависимости от приложения, предполагаемых характеристик прожига и таких ограничений, как сопло тепловые ограничения или удельный импульс (Исп). 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, пропеллента. глушитель (для ограничения чрезмерного инфракрасный подогрев топлива), а также повышение температуры дымовых газов (увеличение Isp).

Общие виды

Окислители:

Перхлорат аммония как первичный окислитель
Металл-оксид катализаторы в качестве термит окислители

Высокоэнергетическое топливо:

Алюминий (высокая производительность, чаще всего)
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

Увеличивая соотношение металлического топлива к окислителю до стехиометрический точка увеличивает температуру горения, наличие увеличивающейся мольной доли оксидов металлов, особенно оксид алюминия (Al₂О₃) осаждение из газообразного раствора создает глобулы твердых или жидких тел, 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 примерно на уровне 16% по массе, если предположить, что реакция горения завершится внутри камера сгорания.

Время горения частиц алюминия в горячем газе сгорания варьируется в зависимости 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 для обеспечения среды 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 границей 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) увеличиваются 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 обнаженного пороха 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 исследования внутренней баллистики), чаще всего изменяя площадь поверхности метательного взрывчатого вещества, подверженную воздействию дымовых газов. В массовый поток (кг / с) [и, следовательно, давление] образующихся дымовых газов является функцией мгновенный площадь поверхности ${ displaystyle A_ {s}}$ (м²), порох плотность ${ displaystyle rho}$ (кг / м³) и линейные скорость горения ${ displaystyle b_ {r}}$ (РС):

${ displaystyle { dot {m}} = rho cdot A_ {s} cdot b_ {r}}$

Часто используются несколько геометрических конфигураций в зависимости от применения и желаемого кривая тяги:

Моделирование круглого отверстия
Моделирование C-слота
Моделирование горящего луны
5-точечное моделирование финоцилов

Круглое отверстие: если в Летучие мыши конфигурации, дает 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), создающим 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 небольшие асимметричные характеристики ЦТ.
Финоцил: обычно имеет форму звезды с пятью или шестью ножками, которая может производить очень ровную тягу с более быстрым горением, чем у круглого канала, из-за увеличенной площади поверхности.

Скорость сжигания

Хотя площадь поверхности может быть легко изменена за счет тщательного геометрического проектирования метательного заряда, скорость горения зависит от нескольких тонких факторов:

Химический состав пороха.
AP, Al, размеры частиц добавки.
Давление сгорания.
Теплопередача характеристики.
Эрозионное горение (поток с высокой скоростью, движущийся мимо пороха).
Начальная температура топлива.

В целом, однако, большинство составов имеют скорость горения от 1 до 3 мм / с при STP и 6–12 мм / с при 68 атм. Характеристики горения (такие как линейная скорость горения) часто определяются до запуска ракетного двигателя с использованием стренговая горелка тест. Этот тест позволяет производителю APCP определить скорость горения как функцию давления. Эмпирически APCP довольно хорошо придерживается следующей модели степенной функции:

${ displaystyle b_ {r} = а cdot p ^ {n}}$

Стоит отметить, что обычно для APCP 0,3 взрыв, просто он не взорвется. Таким образом, любой взрыв будет вызван давлением, превышающим давление разрыва контейнера (ракетного двигателя).

Применение в моделях / ракетах большой мощности

Запуск ракеты большой мощности с использованием двигателя APCP

Коммерческие ракетные двигатели APCP обычно выпускаются в виде перезаряжаемые моторные системы (RMS) и полностью собранные одноразовые ракетные двигатели. Для RMS APCP "зерна «(баллоны топлива) загружаются в корпус многоразового двигателя вместе с последовательностью изолирующих дисков и уплотнительные кольца и (графит или наполненный стеклом фенольная смола ) сопло. 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
Локи Исследования
Горилла Ракетные Моторы

Чтобы добиться 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, цветные составы доступны для отображения красного, зеленого, синего и даже черного дыма.

В ракетах средней и большой мощности APCP в значительной степени заменил черный порошок в качестве ракетного топлива. Слитки спрессованного черного пороха становятся склонными к разрушению в более крупных приложениях, что может привести к катастрофический провал в ракетных машинах. Свойства эластичного материала APCP делают его менее уязвимым к разрушению в результате случайного удара или полетов 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

Выхлоп твердотопливных ракетных двигателей APCP содержит в основном воды, углекислый газ, хлористый водород, а оксид металла (обычно оксид алюминия ). Хлористый водород может легко растворяться в воде и вызывать коррозию. соляная кислота. 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 источника окислителя, горение может быть более горячим, чем композитное топливо APCP.

Регулирование и законность

В США APCP для использования в хобби косвенно регулируется двумя неправительственными организациями: Национальная ассоциация ракетостроения (НАР), и Ассоциация ракетостроителей Триполи (TRA). Оба агентства установили правила относительно классификация ракетных двигателей по импульсам и уровень сертификация требуется ракетчикам для покупки определенных импульсных (размерных) двигателей. 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 форме 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 принято решение, 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 ЛИЦЕНЗИОНАМ И РАЗРЕШЕНИЯМ НА ВЗРЫВЧАТЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ