Ракеты...  Ракетные топлива:

Перхлоратные топлива серии ПАЛ

Изготовление ракетных топлив на базе перхлората аммония с алюминием
ПАЛ-71Сп ПАЛ-71Э2п ПАЛ-71Са ПАЛ-71Э2а ПАЛ-71Э2а1 ПАЛ-71Э1а

Первая проба топлива с перхлоратом аммония (ПХА) в качестве окислителя, ТРТ АНУБИС, дала очень впечатляющие результаты. Но перхлорат-магниевая композиция была мерой в определенной степени вынужденной, из-за отсутствия хорошего порошка алюминия. На данный момент удалось приобрести качественные алюминиевые порошки ПАП и АСД-6, поэтому приступил к отработке перхлорат-алюминиевых композиций, получивших общее название ПАЛ. Перхлорат аммония, алюминий и связка - это фактически классика жанра. Помимо потенциально большей энергетики, по сравнению с тем же АНУБИСом, данный состав еще и заметно безопаснее в изготовлении, что, конечно, не отменяет необходимости соблюдения мер безопасности.

ТРТ на ПХА-Al хорошо изучены и представляют конкретный практический интерес, поэтому не отнесены мною в разряд экспериментальных, а выделены в отдельную статью.


ПАЛ-71Сп

В качестве прямой альтернативы АНУБИСу сделал первый вариант состава с силиконовой связкой. В силу специфики отверждения силикона такое топливо подходит для небольших зарядов. В тоже время пластичность связки позволяет делать скрепленные заряды, используемые, например, в моторе РДК-Х3.

Компоненты ТРТ ПАЛ-71Сп:

Аммония перхлорат NH4ClO4 - 70%
Алюминий ПАП Al - 10%
Силикон нейтральный "Момент" - 20%

Несмотря на меньшую активность алюминия по сравнению с магнием, силикон надо брать нейтральный.


В топливных составах с металлами надо использовать только нейтральные связки и компоненты без примеси кислот.
 

Приготовление такое же, как и АНУБИСа. Перхлорат засыпаем в кофемолку и молем в два захода по 20 сек. Помол делается "удаленным методом".


Измельчение перхлоратов в кофемолке опасно. Необходимо обеспечить удаление и изоляцию работающего измельчителя.
 

"Удаленный" метод заключается в том, что кофемолка располагается в безопасном удаленном месте и включается с помощью удлинителя.


Смешивать сухой порошок перхлоратного окислителя с сухими порошками горючего недопустимо.
 

Поэтому сначала замешиваем алюминий с силиконом в какой-нибудь неглубокой, лучше фарфоровой, посудине с помощью небольшого шпателя до однородного состояния.

В полученную пасту подсыпаем окислитель и продолжаем растирать до более-менее равномерного замеса. Далее помещаем состав в целлофановый мешок и раскатываем скалкой в тонкую лепешку. Сминаем лепешку прямо в пакете в комок и снова раскатываем. Так надо проделать 4-5 раза, можно больше, чтобы добиться полностью однородной консистенции типа пластилин. Состав готов и его надо сразу упаковать в мотор или бронировку, в зависимости от типа заряда.

Готовый состав закладывается небольшими порциями и подтрамбовывается торцом, например, алюминиевого стержня. Окончательно заряд формируется прессованием заложенного состава и сушкой под прессом в течение 2-х - 3-х дней.

Плотность топлива 1,79 г/см3.

Пробное сжигание бронированного столбика топлива ПАЛ-71Сп показало легкую воспламеняемость, большое красивое пламя и устойчивое горение со скоростью 1,8 мм/сек.

Образец выгорел полностью, шлака не осталось.



ПАЛ-71Э2п

Топливо ПАЛ-71Э2п сделано на базе эпоксидной связки ЭД-20 с отвердителем "Этал-45М". Эпоксидный вариант связки считается одним из самых энергетически выгодных и упоминается в серьезной литературе. Заряд этого состава имеет прекрасную адгезию с бумажной бронировкой и теплозащитой, прочный, но хрупкий. В связи с его недостаточной пластичностью использовать в качестве скрепленного заряда проблематично, но вполне допустимо в виде вкладного шашечного заряда.

Компоненты ТРТ ПАЛ-71Э2п:

Аммония перхлорат NH4ClO4 - 70%
Алюминий ПАП Al - 10%
Эпоксидная смола ЭД-20 с отвердителем "Этал-45М" 2:1 - 20%

Замес делаем по той же схеме. Сначала молем перхлорат в кофемолке в два захода по 20 сек. Помол, понятно, только "удаленным методом".

Опять-таки сначала замешиваем алюминий со связкой, т.е. разводим эпоксидку и замешиваем в нее порошок алюминия. Эпоксидка пожиже силикона, что позволяет нам не растирать смесь, а просто размешать.

Далее подсыпаем окислитель и продолжаем мешать до более-менее равномерного состояния. Доводим качество замеса, как в случае предыдущего состава. Помещаем в целлофановый мешок и раскатываем скалкой в тонкую лепешку. Сминаем лепешку прямо в пакете в комок и снова раскатываем. Процедуру повторяем 4-5 раз или больше, добиваясь полностью однородной консистенции.

Готовый состав закладывается в корпус или бронировку небольшими порциями и подтрамбовывается торцом, например, алюминиевого стержня. Окончательно заряд формируется прессованием заложенного состава и сушкой под прессом в течение 1-х - 2-х суток.

Пробное сжигание бронированного столбика топлива ПАЛ-71Эп показало легкую воспламеняемость, большое красивое пламя и устойчивое горение со скоростью 1,6 мм/сек.

Интересно, что после сгорания пробника не осталось никакого шлака.


ПАЛ-71Са

Топливо ПАЛ-71Са отличается от ПАЛ-71Сп использованием порошка алюминия АСД-6. Оно также рассматривается как альтернатива АНУБИСу для скрепленных зарядов.

Компоненты ТРТ ПАЛ-71Са:

Аммония перхлорат NH4ClO4 - 70%
Алюминий АСД Al - 10%
Силикон нейтральный "Момент" - 20%

Наличие другого порошка алюминия заметно сказывается на свойствах топлива, поэтому необходимо различать эти два варианта. Имею в виду как консистенцию замеса, так и свойства горения.
Технология приготовление та же самая, что и для ПАЛ-71Сп с теми же требованиями ТБ. Замешивается легче, но полимеризуется довольно долго. В моторе нужно отверждать не менее 2-х недель.

Плотность получается 1,68 г/см3.

Прочность и эластичность образцов не выдающаяся, но достаточная.

Пробное сжигание бронированного столбика топлива ПАЛ-71Са показало легкую воспламеняемость, большое красивое пламя и устойчивое горения.

Скорость горения для двух разных образцов получилась 4,85 и 5,4 мм/сек. Как видим, скорость горения заметно отличается от варианта с ПАП.

После сгорания пробника шлака не остается.

Дальнейшую проверку ТРТ прошло на полусопловом двигателе РДК-Х3. Огневые испытания проведены 03.07.2013. Топливо позволяет получить очень эффектный факел, высокий удельный импульс. Скорость горения топлива довольно велика и, по идее, больше подходит для торцевых моторов. Однако отверждать торцевой заряд данного состава может оказаться проблематичным.


ПАЛ-71Э2а

Топливо ПАЛ-71Э2а аналог топлива ПАЛ-71Э2п выполненный с порошком алюминия АСД-6.

Компоненты ТРТ ПАЛ-71Э2а:

Аммония перхлорат NH4ClO4 - 70%
Алюминий АСД Al - 10%
Эпоксидная смола ЭД-20 с отвердителем "Этал-45М" 2:1 - 20%


Технология повторяет оную для ПАЛ-71Э2п, поэтому повторяться не буду.

Получаем состав плотностью 1,75 г/см3.

Образцы получились очень прочные и жесткие, как кусок застывшей эпоксидки. Достаточно легко обрабатываются механически. Адгезия с бумагой великолепная.

Пробное сжигание бронированного столбика топлива ПАЛ-71Э2а показало легкую воспламеняемость, большое красивое пламя и устойчивое горение. Скорость горения для разных образцов 2,6, 3,15 и 3,6 мм/сек.

После сгорания пробника шлака не остается. Как видим скорость горения состава с АСД-6 значительно выше, чем состава с ПАП.

На данный момент это наиболее хорошо исследованное топливо серии. Получено 4-е точки для закона горения, которые дали следующий вид законаg>u=6.2*P0.32, см. картинку.

После испытания топлива в реальном моторе, закон был уточнен u=6.9*P0.29.

Есть основание считать, что скорость горения топлива ПАЛ-71Э2а зависит в некоторой степени от замеса. Это надо учитывать при проектировании моторов.


ПАЛ-71Э2а-1

Понятно, что топливо ПАЛ-71Э2а-1 это вариация на тему ПАЛ-71Э2а. Оно отличается добавкой 1% окиси железа. В данном случае это не катализатор, а стабилизатор характеристик, в частности скорости горения. К тому же, окись позволяет снизить значение показателя в законе горения.

Компоненты ТРТ ПАЛ-71Э2а-1:

Аммония перхлорат NH4ClO4 - 70%
Алюминий АСД Al - 10%
Эпоксидная смола ЭД-20 с отвердителем "Этал-45М" 2:1 - 19%
Окись железа Fe2O3 - 1%


Технология приготовления аналогичная. Отмечу только, что сначала в эпоксидку замешивается окись, затем алюминий и потом перхлорат.

Получаем состав плотностью 1,8 г/см3.


Образцы получились тоже прочные и жесткие. Достаточно легко обрабатываются механически. Адгезия с бумагой великолепная.

Пробное сжигание столбика топлива ПАЛ-71Э2а-1 показало легкую воспламеняемость, большое красивое пламя и устойчивое горение. Скорость горения образца 4,2мм/с .

После сгорания пробника шлака не остается.

Для топлива ПАЛ-71Э2а-1 примерно (по 3-м точкам) определен закон горения u=8.4*P0.3, см.Рис.1. Это позволяет уже производить предварительные расчеты при проектировании моторов.


ПАЛ-71Э1а

В качестве небольшого эксперимента решил проверить влияние соотношения эпоксидки и отвердителя на характеристики топлива. Топливо ПАЛ-71Э1а отличается от топлива ПАЛ-71Э2а увеличенным содержанием отвердителя, доля которого равна доле эпоксидки.

Компоненты ТРТ ПАЛ-71Э1а:

Аммония перхлорат NH4ClO4 - 70%
Алюминий АСД Al - 10%
Эпоксидная смола ЭД-20 с отвердителем "Этал-45М" 1:1 - 20%


Получаем состав плотностью 1.72 г/см3.

Прочностные характеристики такие же, как и в предыдущем случае, т.е. весьма приличные.

Пробное сжигание бронированного столбика топлива ПАЛ-71Э2а показало легкую воспламеняемость, большое красивое пламя и устойчивое горение. Скорость горения 3 и 3,15 мм/сек.

После сгорания пробника шлака не остается.

Каких-то особых преимуществ, по ставнению с ПАЛ-71Э2а не отметил. Разве что замес проводить несколько проще, т.к. отвердитель более жидкий, чем смола.



P.S.

Топлива типа ПАЛ очень перспективны. Они достаточно технологичны и имеют высокий теоретический удельный импульс 240-250 с. Для вариантов с порошком алюминия АСД-6 получился заметный разброс скорости сгорания. Пока затрудняюсь сказать, чем это вызвано. Образцы были из одного замеса, так что списать причины на технологию не получается. Возможно, повлияли размеры образцов, способы бронирования. Это надо будет уточнять. В любом случае предварительные данные весьма перспективные. Возможность варьировать наполнители и порошки алюминия делает серию ПАЛ весьма гибкой в плане выбора состава под конкретную задачу.

***