Войти
Составное топливо на основе перхлората аммония (APCP ) является современное топливо, используемое в ракетных двигателях на твердом топливе. Он отличается от многих традиционных твердых ракетных топлив, таких как черный порох или цинк-сера, не только химическим составом и общими характеристиками, но и характером как это обрабатывается. APCP отливают в форму, в отличие от прессования порошка, как с черным порошком. Это обеспечивает регулярность и повторяемость производства, которые являются необходимыми требованиями для использования в аэрокосмической промышленности.
аммоний Перхлоратный композитный пропеллент обычно используется в авиакосмических двигательных установках, где желательны простота и надежность и достаточны удельные импульсы (в зависимости от состава и рабочего давления ) в течение 180–260 секунд. Благодаря этим характеристикам APCP регулярно внедряется в бустерные приложения, такие как твердотопливные ракетные ускорители Space Shuttle, авиационные катапультные кресла и специальные приложения для исследования космоса, такие как НАСА. Марсоход спускаемый аппарат ретророзеты. Кроме того, сообщество ракетной техники большой мощности регулярно использует APCP в виде коммерчески доступных "перезагрузок" топлива, а также одноразовых двигателей. Опытные экспериментаторы и ракетчики-любители также часто работают с APCP, обрабатывая APCP самостоятельно.
Композитный пропеллент на основе перхлората аммония представляет собой составной пропеллент, что означает, что в нем есть топливо и окислитель, смешанные с каучукообразным связующим, все объединены в однородную смесь. Пропеллент чаще всего состоит из перхлората аммония (AP), эластомера связующего, такого как полибутадиен с концевыми гидроксильными группами (HTPB) или полибутадиенакриловая кислота. форполимер акрилонитрила (PBAN), металлический порошок (обычно алюминий ) и различные катализаторы скорости горения . Кроме того, отверждающие добавки вызывают эластомер связующее сшивание с целью отверждения пропеллента перед использованием. Перхлорат служит окислителем, а связующее и алюминий служат топливом. Катализаторы скорости горения определяют скорость горения смеси. Получающееся в результате отвержденное топливо является достаточно эластичным (резиновым), что также помогает ограничить разрушение во время накопленных повреждений (таких как транспортировка, установка, резка) и приложений с высоким ускорением, таких как хобби или военная ракетная техника.
Состав APCP может значительно различаться в зависимости от области применения, предполагаемых характеристик горения и ограничений, таких как сопло тепловые ограничения или удельный импульс (Isp). 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. В то время как металлическое топливо не требуется в APCP, большинство составов включают по крайней мере несколько процентов в качестве стабилизатора горения, пропеллента глушителя (для ограничения чрезмерного предварительного нагрева топлива в инфракрасном диапазоне ) и повышения температуры дымовые газы (увеличение Isp).
Окислители:
высокоэнергетическое топливо:
низкая энергетические топлива, действующие как связующие:
Хотя увеличение отношения металлического топлива к окислителю до стехиометрической точки увеличивает температуру горения, присутствие возрастающей молярной доли оксидов металлов, в частности оксида алюминия ( Al 2O3) , осаждающийся из газообразного раствора, создает глобулы твердых или жидких веществ, которые замедляют скорость потока по мере увеличения средней молекулярной массы потока. Кроме того, изменяется химический состав газов, изменяя эффективный теплоемкость газа. Из-за этих явлений существует оптимальный нестехиометрический состав для максимального увеличения Isp примерно на 16% по массе, если предположить, что реакция горения завершается внутри камеры сгорания .
Время горения частиц алюминия в горячем газообразные продукты сгорания различаются в зависимости от размера и формы алюминиевых частиц. 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, чтобы обеспечить среду 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.
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.
Для обычных составов APCP требуются частицы AP 30–400 мкм (часто сферические), а также частицы Al 2–50 мкм (часто сферические). Из-за несоответствия размеров AP и Al, Al часто занимает промежуточное положение в псевдорешетке AP-частиц.
APCP сгорает с поверхности открытого пороха в камере сгорания. Таким образом, геометрия топлива внутри ракетного двигателя играет важную роль в общих характеристиках двигателя. По мере того как поверхность пороха горит, его форма эволюционирует (предмет изучения внутренней баллистики), чаще всего изменяя площадь поверхности метательного взрывчатого вещества, подверженную воздействию дымовых газов. массовый поток (кг / с) [и, следовательно, давление] образующихся газов сгорания является функцией мгновенной площади поверхности 
Несколько геометрических конфигураций часто используются в зависимости от приложения и желаемой кривой тяги :
Моделирование круглого отверстия
C-образный паз имитация
Моделирование лунной горелки
5-точечное моделирование финоцила
Хотя площадь поверхности может быть легко адаптирована с помощью тщательного геометрического дизайна скорость горения зависит от нескольких тонких факторов:
В целом, однако, большинство составов имеют ожог скорость от 1–3 мм / с при STP до 6–12 мм / с при 68 атм. Характеристики горения (такие как линейная скорость горения) часто определяют перед запуском ракетного двигателя с помощью теста многожильной горелки. Этот тест позволяет производителю APCP определить скорость горения как функцию давления. Эмпирически APCP довольно хорошо соответствует следующей модели степенной функции:
Стоит отметить, что обычно для APCP, 0,3
Запуск ракеты большой мощности с использованием двигателя APCP Коммерческие ракетные двигатели APCP обычно имеют форму перезаряжаемых систем двигателей (RMS) и полностью собранные одноразовые ракетные двигатели. Для RMS APCP «зерна » (баллоны с топливом) загружаются в корпус многоразового двигателя вместе с последовательностью изолирующих дисков и уплотнительных колец и (графита или наполненное стекловолокном фенольная смола ) сопло. Корпус двигателя и крышки обычно покупаются отдельно от производителя двигателя и часто подвергаются прецизионной обработке из алюминия. Собранный RMS содержит как многоразовые (обычно металлические), так и одноразовые компоненты.
Основными поставщиками APCP для хобби являются:
Для достижения различных визуальных эффектов. Эффекты и летные характеристики, поставщики APCP-хобби предлагают множество различных типов топлива. Они могут варьироваться от быстрого горения с небольшим дымом и синим пламенем 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 порох в качестве ракетного топлива. Слитки спрессованного черного пороха становятся склонными к разрушению в более крупных приложениях, что может привести к катастрофическому отказу ракетных транспортных средств. Эластичные свойства материала APCP делают его менее уязвимым к разрушению от 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.
Выхлоп твердотопливных ракетных двигателей APCP содержит в основном воду, двуокись углерода, хлористый водород и оксид металла (обычно оксид алюминия ). Хлористый водород может легко растворяться в воде и образовывать коррозионную соляную кислоту. 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 их источника окислителя могут гореть сильнее, чем составные топлива APCP.
В Соединенных Штатах использование APCP для хобби косвенно регулируется двумя неправительственными организациями: Национальной ассоциацией ракетной техники (NAR) и Триполиская ассоциация ракетостроителей (TRA). Оба агентства устанавливают правила, касающиеся классификации ракетных двигателей и уровня сертификации, который требуется ракетчикам для приобретения определенных импульсных двигателей (типоразмеров). 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 виде 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 правилами пожарной безопасности. 16 марта 2009 года было принято решение, что APCP не является взрывчатым веществом и что для производства и использования APCP больше не требуется лицензия или разрешение от ATF.
