вторник, 10 септември 2013 г.

Ракетно гориво АНСИАЛ - проучване



            Внимание!

Описаните по-долу екперименти са плод на задълбочена научна работа и са проведени в контролирана работна среда при спазване на изискванията за безопасност и сигурност.
Това не е ръководство, а научен труд, описващ  възможностите за създаване на екологично чисто твърдо ракетно гориво за екпериментални и изследователски любителски ракети.

Не опитвайте това в къщи! Авторите не носят отговорност за действията на лица, които ще използват информацията от настоящата статия!

Въведение:

Разгледан е метод за получаване на  екологично твърдо ракетно гориво, предназначено за използване в двигателите на екпериментални и изследователски ракети. При тях обикновено се използват комерсиално произведени и относително скъпи ракетни двигатели, работещи с горива на база основен окислител амониев перхлорат (АП).

Това е обусловено от факта, че относително лесно се постигат високи енергетични характеристики и се получават високи стойности на специфичния импулс от порядъка на 230-250s.

Наред с многото си ценни предимства, тези горива имат и някои сериозни недостатъци, които напоследък са доста критикувани и се проявяват особено силно при необходимостта от използването им за любителски и експериментални цели, а именно:

- те често са труднодостъпни, скъпи и небезопасни за ползване
- отпадните продукти от горенето им съдържат отровни и вредни за здравето, и околната среда, хлорни съединения
- боравенето с такива изделия в любителски условия е опасно и по тази причина строго се контролира от специализирани за целта служби и разпоредби

В тази връзка осезаемо възниква нуждата от реализацията на нови видове твърди ракетни горива за комерсиални и любителски цели, които са лишени от изброените недостатъци и биха могли да се ползват масово.

Пример за такава любителска разработка е описаният по-долу АНСИАЛ, чието име е съкращение от използваните три основни компонента – амониев нитрат, неутрален санитарен силикон и алуминий на прах.

АНСИАЛ – получаване и основни характеристики:

Тази формула е базирана на един масово използван в промишлеността и селското стопанство продукт, в ролята на окислител - амониев нитрат (АН).

Използва се най-обикновен гранулиран АН за торене с азотно съдържание 34%. Той е фабрично стабилизиран с магнезиеви или фосфорни съединения и до голяма степен е защитен от характерните за него фазови преходи.

 Характерна особеност на АН като окислител е фактът, че той създава само газообразни продукти с ниска молекулна маса, при своето разлагане. Заради това си качество напоследък тази амониева сол предизвиква все повече внимание за подобно приложение, въпреки че съдържа не много високо процентно съдържание на свободен кислород (~20%).

Знае се, че АН е силно хигроскопичен и притежава невисока плътност ( 1,65 g/cm3), но пък е изключително евтин, а също и създадените на негова основа твърди ракетни горива са слабо зависими откъм механични въздействия.

За да се използва в това ракетно гориво, АН  се раздробява грубо до размер на частиците от порядъка на 200-600μm и впоследствие се изсушава при температура от 110°С за около 3-4 часа. След изсушаването АН се смила окончателно до размер на частиците 50-200μm. и после грижливо се съхранява в плътно затворени съдове.

Останалите съставки на горивото са - силикон неутрален (свръзка и горивен елемент ) и алуминиев прах ПАП-2 ( прахообразно висококалорично гориво ).

Идеята за такава рецептура идва от някои руски и полски експериментатори, които са правили изследвания на подобни състави, но е основно обогатена и систематизирана от авторите.

Изборът за силикон като свързащ и горивен елемент никак не е случаен.   Проучванията сочат, че този продукт, изграден от елементите Si, O, N, C и H, притежава по-добър кислороден баланс дори от масово използвания полибутадиенов каучук HTPB.
Негова много полезна особеност е тази, че той отделя оксими при втвърдяването си, които играят важна роля на депресант по отношение на нарастването на скоростта на горене, в зависимост от налягането (който процес се изразява със закона на Виеле  r = r0 + a.Pn  ).

Използваната базова формула на АНСИАЛ е следната:

- амониев нитрат                  60%    ( изсушен и смлян до 50-200μm )
- алуминиев прах ПАП-2     20%     ( размер на частиците ~40μm )
- силикон неутрален             20%    ( от магазините за строителни материали )

Теоретичното представяне на този състав, според програмата PROPEP е следното:

PERFORMANCE:  FROZEN ON FIRST LINE, SHIFTING ON SECOND LINE
Isp
IS EX
T*(K)
P* (atm)
c* (ft/s)
Isp*
Opt-Exp
D-Isp
A*M
EX-T


Горивото притежава прекрасна енергетика и лесно се приготвя от евтини и достъпни съставки. Много важно положително качество също е ниската молекулна маса на отходните вещества и отсъствието на вредни продукти при изгарянето му.

Продуктите, получавани след изгарянето, са:

Top 12 Exhaust Products in Moles per System Weight

Product List
Mol/ SystemWt
MW
Weight (g)
∆H kcal/ mol
∆H Mol/ SysWt Kcal


Al6Si2O&

N2     
0,750
28,016
20,998
0,000
0,000

CO     
0,519
28,011
14,529
-26,417
-13,702

H2O    
0,307
18,016
5,534
-57,798
-17,753

H2     
2,000
2,016
4,033
0,000
0,000

SiO2&  
0,023
60,090
1,352
-216,417
-4,871

CO2    
0,021
44,011
0,908
-94,054
-1,940

SiO    
0,000
44,090
0,003
-24,000
-0,002

H      
0,001
1,008
0,001
52,103
0,058

NH3    
0,000
17,032
0,000
-10,970
0,000

HO     
0,000
17,008
0,000
9,318
0,000
















Приготвянето на сместа се състои в щателно стриване на трите компонента до получаване на консистенция от тип "мокър пясък". Тази получена маса се пресова или набива на ръка в предварително подготвени форми за горивни заряди.

Механичната якост на получените заряди не е особено висока, дори и след престой от няколко денонощия. Повърхността им лесно се наранява с остър предмет, но пък и лесно се обработва - при рязане, оформяне и пробиване на горивен канал.

Тестови пръчици се правят в предварително подготвени тънки тръбички с размери Ø10/100mm. След втвърдяване от поне едно денонощие, с тях се правят проби за скорост на горене на въздуха и за степен на трудност при запалване.

При многобройните опити с АНСИАЛ са получени много интересни и обещаващи резултати. Това гориво потвърждава предварително пресметнатите със специализирания софтуер високи енергетични показатели, които се доближават до тези на комерсиално използваните състави.
Основни негови недостатъци, обаче, са неговата висока хигроскопичност, ниска механична якост и по-трудно запалване.

Обобщените показатели на АНСИАЛ изглеждат по следния начин:

- относителна плътност    -  1,60g/cm3
- специфичен импулс, реален  190-200s.  ( теоретичен 240s. )
- степенен показател ( n )   0,42
- механична якост   -  ниска
- хигроскопичност  -  висока
- запалване  -  сравнително трудно
- температура на запалване   >450°С
- температура на горене  в камерата на двигател  2571°К
- цвят на готовото гориво  -  светло сив
За точното охарактеризиране на АНСИАЛ са направени голям брой статични тестове в различни по размер двигатели, достигащи до клас „К”. Отчетен е нисък степенен показател и стабилна работа в много широк диапазон от работни налягания ( от 0,5MPa до над 10MPa ).

АНСИАЛ гори стабилно при стойности на клемунга Kn ( отношението на горящата повърхност на заряда към площта на критичното сечение на соплото на двигателя ) в интервал от 40 до 400 и дори по-високи. За консервативни могат да се приемат стойностите Kn=100-250.

Скорост на горене на въздуха 1,3mm/s.

Скорост на горене при налягане в интервала 0,5-10MPa:

Налягане (MPa):              Скорост (mm/s):

         0,5                                    2,6
         1,5                                    3,9
          3                                      5,5
         4,5                                    6,4
          6                                      7,3
          8                                      8,3
         10                                     9,2

 На база тези резултати е определена стойността на степенният показател в закона на Виеле, която е n=0,42.

Осъществени са също множество полети с експериментални ракети от различен тип и размер, които доказват възможностите за практическо приложение на АНСИАЛ.


На по-късен етап са направени тестове с различни разновидности на основната формула, наименувани АНСИАЛ-2 , АНСИАЛ-3 и МАНСИАЛ, в които е променян процентния състав на компонентите, или са добавяни различни количества натриев нитрат, сяра и магнезий на прах от тип МПФ-4 в рецептата на горивото.

Тези промени и добавки подобряват запалимостта и механичната якост, намаляват шлакообразуването от алуминиев окис и силициеви съединения. Някои от добавките създават красив и различно оцветен огнен шлейф при излизането на изгорелите газове от соплото на двигателя.

Клуб за Аерокосмически Технологии „ЗОДИАК”

2013г