Изследване на ракетно гориво КАЛИЕВ НИТРАТ-ИЗОМАЛТ

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 Крумов^1,2

¹Клуб за Аеро Космически Технологии „Зодиак” - гр.Кюстендил

²ХимикоТехнологичен и Металургичен Университет - гр.София

e-mail: fori2ivanov@yahoo.com, k.krumov@abv.bg

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 Krumov^1,2

¹ Club of Aerospace Technologies ZODIAC – Kyustendil

²  University of Chemical Technology and Metallurgy – Sofia

e-mail: fori2ivanov@yahoo.com, k.krumov@abv.bg

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/cm^3.

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
K2CO3&	0,321	138,211	44,423	-274,900	-88,356
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).

(1)   r=s/t    

 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.    

 Тази горивна характеристика зависи от различни фактори, като работно налягане, параметри на соплото и други.

 При тестовете са получени стойности в рамките на 1100 – 1250 N.s/kg.

            Заключение:

 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.