SES 2013
Ninth
Scientific Conference with International Participation
SPACE, ECOLOGY, SAFETY
20 – 22 November 2013, Sofia, Bulgaria
Изследване
параметрите на екологично ракетно гориво калиев
нитрат – изомалт
Христофор Скандалиев1,
Калин Крумов1,2
1Клуб за Аеро Космически Технологии „Зодиак” - гр.Кюстендил
2ХимикоТехнологичен и Металургичен Университет - гр.София
Ключови думи: Ракетно гориво,
експериментални ракети, Изомалт
Резюме: Описано е изследването
на твърда хетерогенна смес от калиев нитрат и изкуствен подсладител Изомалт,
проведено с цел доказване на възможността да се използва като леснодостъпно и
евтино ракетно гориво за експериментални, научно-приложни и граждански цели.
experimental
studY of the properties of green rocket propellant potassium nitrate – isomalt
Hristofor Skandaliev1, Kalin Krumov1,2
1 Club of Aerospace Technologies
ZODIAC – Kyustendil
2 University of Chemical
Technology and Metallurgy – Sofia
Keywords: Rocket propellant, experimental rockets, Isomalt
Abstract: Described a study of the solid heterogeneous mixture of potassium nitrate and artificial sweetener Isomalt, conducted to demonstrate the ability to use it as a readily
available and inexpensive solid rocket
propellant for experimental, scientific and civilian
purposes.
Въведение:
В световната практика
от десетилетия се използват ракетни горива, състоящи се от окислители нитрати и
различни видове захари в ролята на свързваща съставка и горивен компонент. За
окислители най-често служат калиев нитрат и натриев нитрат, или комбинация от
двата. Предпочитаните захари са най-различни – обикновена кристална захар,
сорбитол, фруктоза, глюкоза, манитол, еритритол, ксилитол, малтитол, лактоза и
др.
Получаването на тези горива става предимно чрез стопяване на
насипна смес от изходните вещества при темеператури в интервала 100-250°С и последващо изливане и втвърдяване
в желаната форма на зарядите. Оттам идва и популярното им название – карамелни.
По-рядко се прибягва
до пресоване на изходната прахообразна смес, или до рекристализация от воден
разтвор.
Свойствата на карамелните
горива са доста близки и те притежават следните предимства - ниска цена, лесно
получаване, нетоксични изходни и крайни продукти след изгарянето им, сравнително безопасни за работа и трудно податливи към
нестационарни режими на работа в ракетен двигател.
От друга страна, слаби
техни страни са – нисък специфичен импулс, висока хигроскопичност, слаби
механични показатели.
Изомалтът като горивен елемент:
Настоящите експерименти са направени с използване
на подсладител, получаван от захарно цвекло, наречен Изомалт. Оказва се, че при
използването му в ролята на горивна съставка, се запазват предимствата и се
редуцират много от недостатъците на карамелните горива.
Според Международния съюз за чиста и
приложна химия IUPAC пълното название на Изомалт е
(2R,3R,4R,5R)-6-[(2S,3R,4S,5S,6R)-3,4,5-trihydroxy-6-(hydroxymethyl)oxan-2-yl]oxyhexane-1,2,3,4,5-pentol.
Опростената молекулна
формула на този полиол е C12H24O11, като изграждащи вещества се явяват
глюкоза, сорбитол и манитол.
Основните му характеристики са следните:
Моларна маса 344,31.
Плътност, насипна 1,69g/cm3.
Температура на топене 145-150°С.
Разтворимост във вода – 28% при 25°С.
Хигроскопичност – под 1% при относителна влажност до 85%.
Получаване на тестови образци от твърдо гориво
калиев нитрат – Изомалт.
Получаването става чрез стопяване на насипните изходни
вещества калиев нитрат /Е252/ и
подсладител Изомалт /E953/ в тегловно съотношение 65:35 части.
Това съотношение е
доказано в други изследвания като оптимално.
Използваните вещества
са със следната гранулометрия:
-
Изомалт
прахообразен с размер на частиците 20-40μm.
-
Калиев
нитрат кристален с размер на кристалите 100-400μm.
Предварително смесените два компонента се загряват в
подходящ съд с незалепващо покритие до температура 150°С.
При достигане на тази
температура Изомалтът се стопява, а КН остава в разтвора в твърдо състояние във
вид на дребни кристали, поради много по-високата си температура на топене /334°С/. Стопилката е вискозна течност,
която трябва да се разбърква за добро хомогенизиране и след това може да се
излива в желаните тестови форми.
Получава се дисперсна
система, в която:
65% калиев нитрат, KNO3 е в ролята на окислител и дисперсна
фаза
35% Изомалт, C12H24O11 е горивна съставка и дисперсна
среда
Пълното изстиване на
получените образци става за период от 30 до 60 минути в зависимост от масата
им, околната темепература и формата.
След изстиването се
провеждат поредица от тестове за установяване на плътност, механична якост,
температура на запалване, хигроскопичност, продукти от изгарянето, както и за
снемане на вътрешнобалистични характеристики и полетни качества.
Изследваните свойства
и характеристики на горивото са едни от най-важните за реалното му практическо
използване.
Механични и физико-химични свойства на получените образци
гориво.
1. Плътност:
- теоретична 1,948g/cm3
- реално получена за
различните тестови образци 1,885-1,9g/cm3, или 97%
2. Механична якост:
- гранично напрежение
на огъване 6,19N/mm2 ; 6,55N/mm2 ; 7,28N/mm2, изчислени съответно за три от изследваните
тестови образци
- модул на еластичност, пресметнат
чрез серия от натоварвания на тестова греда, E=5,81Gpa
3. Влагопоемане при престой на
открито:
Две мостри от горивото са изследвани за
влагопоемане чрез периодично измерване на масите им в продължение на 25 дни при
контролирани измервания на температурата, относителната влажност и атмосферното
налягане на средата. Получените резултати са обобщени в графика (1) и показват
незначителни промени на масите в рамките на 1%.
Графика 1. – Влагопоемане на
образците и изменение на атмосферните условия за период от 25 дни.
4. Температура на самозапалване:
Чрез ДТА е установена температурата на
самозапалване на горивото 296°С, графика (2).
Графика 2. – Диференциален термичен анализ на твърдо
ракетно гориво КН-Изомалт.
5. Продукти, получавани при
изгарянето:
Теоретично, при изгарянето на гориво КН-Изомалт, се получават следните
вещества:
Top 12 Exhaust Products in Moles per System Weight
|
||||||
Product List
|
Mol/ SystemWt
|
MW
|
Weight (g)
|
∆H kcal/ mol
|
∆H Mol/ SysWt Kcal
|
|
CO2
|
0,535
|
44,011
|
23,564
|
-94,054
|
-50,359
|
|
H2O
|
0,649
|
18,016
|
11,692
|
-57,798
|
-37,511
|
|
CO
|
0,363
|
28,011
|
10,156
|
-26,417
|
-9,578
|
|
N2
|
0,321
|
28,016
|
9,004
|
0,000
|
0,000
|
|
H2
|
0,570
|
2,016
|
1,149
|
0,000
|
0,000
|
|
CH4
|
0,000
|
16,043
|
0,005
|
-17,895
|
-0,005
|
|
KHO
|
0,000
|
56,108
|
0,002
|
-55,600
|
-0,002
|
|
NH3
|
0,000
|
17,032
|
0,001
|
-10,970
|
-0,001
|
|
Таблица 1. – Продукти от
изгарянето на гориво калиев нитрат –
Изомалт, според PROPEP.
Данните са от специализираната софтуерна
програма PROPEP ( Propellant Performance Evaluation
Program ), използвана за теоретични
пресмятания на ракетни горива.
Високото съдържание на твърд калиев карбонат в
продуктите на горенето е основната причина за невисокия специфичен импулс на
горивото. Неговото термично разлагане настъпва при температури над 1200°С,
което е над работната температура на това гориво. Един от начините за
повишаване температурата на изгаряне с цел термично разлагане на калиевия
карбонат е добавяне на прахообразни метали като алуминий или магнезий. Това
обаче би довело до образуване на метални оксиди, които също ще бъдат в
кондензирана фаза.
6. Скорост
на горене при атмосферни условия:
Скоростта
на горене на открито r, при
нормално атмосферно налягане, се определя чрез изгаряне на тестови пръчици от
горивото и измерване на времето за тяхното изгаряне по формула (1).
При проведени 10 на брой изгаряния на тестови
пръчици с диаметър 10mm. и
различни дължини е установена средна скорост на изгаряне 3,3mm/s. Отделните пръчици са взети
от различни партиди гориво за по-добра представителност.
Балистични
качества на твърдо гориво от калиев
нитрат - Изомалт:
За изследване на вътрешната и външна балистика
на горивото са проведени поредица от статични тестове в изпитателен двигател и множество
ракетни полети с моделни ракети.
1.
Резултати от статичните тестове:
Постановката за изследване на вътрешните
балистични характеристики може да се види на сн.(1). Тестовият двигател е
закрепен на специално направена стойка и е насочен със соплото нагоре. Неговата
горивна камера е свързана с манометър за измерване на работното налягане.
Самият двигател се движи на релси и позволява да се измерва създаваната при неговата
работа тяга посредством пружинна везна.
Снимка 1. – Опитна постановка за
снемане на вътрешнобалистичните характеристики.
В поредица от 15 на брой тестове са изгаряни
заряди от горивото при различно зададени параметри с цел установяване зависимостта
на скоростта на горене от работното налягане. Тя се изразява чрез закона на
Виеле (2).
(2) r
= a Po n
Различните режими на работа се задават с
промяна на отношението между общата горяща повърхност на заряда и площта на критичното
сечение на соплото (величина, наричана клемунг) (3).
(3) Kn=Ab/At
Получените резултати от всичките статични
тестове са обобщени в графика 3.
Графика 3. – Крива на зависимостта работно налягане – скорост на горене.
За коефициента a и степенния показател n във формула (2) могат да се посочат следните стойности:
a=3,77 (MPa, mm/s)
n=0,26
Чрез измерената тяга и времето на работа при
всеки експеримент се изчислява пълния импулс на конкретния двигател.
Специфичният импулс, основна енергетична характеристика
на горивото, може да се получи като отношение на пресметнатия пълен импулс и
масата на горивния заряд.
При тестовете са
получени стойности в рамките на 1100 – 1250 N.s/kg.
От проведените многостранни изследвания върху
свойствата и характеристиките на твърдо ракетно гориво калиев нитрат – Изомалт могат да се направят следните заключения:
-
Горивото се получава лесно и сравнително безопасно
чрез стопяване и свободно леене.
-
Използваните изходни вещества са леснодостъпни,
безвредни и нетоксични.
-
Механичните показатели позволяват изработването на
заряди за ракетни двигатели с различни форми и размери.
-
Хигроскопичността на готовото гориво е ниска и
позволява лесно и дълго съхранение.
-
Получените при изгаряне продукти не са токсични.
-
Зависимостта на скоростта на горене от работното
налягане в интервала 0,1-8 MPa е слабо
изразена, което е предпоставка за безопасна експлоатация в различни режими.
-
Реално получаваният специфичен импулс на горивото е
в порядъка 1100-1250N.s/kg, стойност по-висока от тази на черния барут и
по-ниска от перхлоратните горива.
-
Карамелното гориво от калиев нитрат – Изомалт може успешно да се използва за задвижване
на експериментални, научно-изследователски, ракетомоделни и други видове ракети с
гражданско приложение.