Главная | Двигатели => МА-40 => Топлива
Натриевая карамель с добавкой алюминия 10%
Введение Приготовление Испытание торцевой шашки Испытание кольцевой шашки Выводы
Рисунок 1 - Горение натриевой карамели с добавкой алюминия в кольцевой шашке без сопла
Кадр 1

Введение В начало

Таблица 1 - Состав натриевой карамели с алюминием.
Топливо для РДТТ
Окислитель NaNO3 (Нитрат натрия) - 59%
Окислитель примесь NH4NO3 (Нитрат аммония) - 1%
Горючее связующее C6H14O6 (Сорбит) - 30%
Добавка Al (Алюминий) - 10%
Плотность, г/см3 1,984 (расч.)
Скорость горения при атмосферном давлении, мм/с 0,72

Низкий удельный импульс карамельных топлив по сравнению с другими ТРТ постоянно заставляет задумываться о том, как повысить этот важнейший энергетический показатель. Один из наиболее простых и известных методов заключается в дополнительном введение в ТРТ порошков металлов, которые обладают большой теплотворной способностью. В большинстве случаев так и поступают, но вот с карамельным топливом подобные высокоэнергетические присадки большая редкость.

В натриевую карамель я впервые решил добавить алюминиевый порошок ещё в апреле 2006 года, но тогда 5% алюминия в топливе привели к весьма непредсказуемому поведению топлива при горении. А именно, начались постоянные неконтролируемые прогары стенки корпуса. После этого было решено отказаться от этой добавки. Ещё в 2000 году было замечено, что тонкая бумажная стенка не выдерживает такой большой температуры и мгновенно прогорает. Тогда это наблюдалось на моих торцевиках, заправленных чёрным порохом на натриевой селитре с добавкой самодельной алюминиевой стружки. В карамельном топливе, применённом в кольцевых шашках, добавка 5% алюминия на низких давлениях приводила к появлению множества сильных локальных очагов возгорания алюминия, шлак от которого скапливался каплями на горящей поверхности и разжигаясь быстро уходил вглубь топлива, и некоторые такие капли достигали внутренней поверхности стенки корпуса, прожигая её насквозь. Тогда использовался самостоятельно выделяемый порошок алюминия из лака серебрянки.

Сейчас для экспериментов был взят порошкообразный алюминий в пакетиках по 10г для разведения в лаке, а концентрация его в карамельном топливе будет повышена с 5% до 10%. Весьма привлекательна перспектива создания высококалорийного топлива с ярким пламенем. Хотелось бы на более простых примерах горения этого состава разобраться, почему так резко повышается тепловое разрушение корпуса двигателя даже при небольшом содержании алюминия в натриевой карамели.

Рисунок 2 - Приготовленная натриевая карамель с алюминием
Натриевая карамель с алюминием

Приготовление В начало

Технология приготовления и использования этого состава заключается в предварительном смешении расплавленного сорбита с порошком нитрата натрия и алюминия. Сорбит, как обычно у меня, плавится и потом нагревается до температуры 200ºС, при этом он полностью обезвоживается. Вся вода выкипает очень быстро, и расплав сорбита становится прозрачным. Нитрат натрия измельчается в кофемолке до состояния мелкого песка, просеивается через мелкое металлическое сито, остаток отправляется на повторное измельчение, пока вся масса не пройдёт через сито. Порошок алюминия уже измельчён и его достаточно просто смешать с порошком нитрата натрия.

При этом важно, чтобы в смеси с нитратом натрия не было никаких щелочных добавок! Во избежание побочных реакций, которые могут привести к самовозгоранию топлива.

В моём случае самодельная натриевая селитра получается с небольшим избытком аммиачной до 1%, что создаёт обратный эффект – подкисляет нитрат натрия. Иначе можно получить избыток соды, обладающей щелочной реакцией с алюминием. Только после того, как убедившись в отсутствие щелочной реакции окислителя, можно смешивать его с алюминиевой пудрой, а потом и с расплавом сорбита. После введения окислителя и алюминия в расплав сорбита, нужно быстро, аккуратно и тщательно перемешать всю смесь до однородной массы. Это было сделать не очень просто, так как алюминий сильно загустил натриевую карамель, и она слиплась в комки. Тем не менее, это не было фатальной ошибкой, и комки можно было легко утрамбовать в любую форму, пока не застыл сам сорбит.

Рисунок 3 - Приготовленная натриевая карамель с алюминием (слипшиеся комки)
Натриевая карамель с алюминием (слипшиеся комки)

На вид алюминий достаточно равномерно распределился по всему объёму топливной массы, придав ей сплошной серый цвет. Дальнейшее изучения этого состава будет произведено на горении двух шашек торцевой и кольцевой, чтобы узнать его атмосферную скорость горения и вообще увидеть, как он горит.

Испытание торцевой шашки на атмосферную скорость горения В начало

Испытание на атмосферную скорость горения и горение состава вообще. Для чего использовал небольшую бумажную трубку с фиксированными размерами. Время горения записывалось по видео. В результате средняя скорость горения состава получилась 0,72мм/с. Само горение было неустойчивым, точнее с попеременными равками, что явилось следствием забивания горящей торцевой поверхности твёрдым неплавким шлаком. Состав относительно легко воспламенился, но для этого был использован толстый фитиль из проселитренной бумаги. Организовать что-то похожее в двигателе вряд ли удастся. Лёгкость воспламенения данного состава будет оценена более точно при горении кольцевой шашки ниже.

Рисунок 4 - Торцевая шашка с составом
Торцевая шашка с составом

Образец торцевой шашки с топливной композицией натриевой карамели с алюминием (2шт.).

Рисунок 5 - Торцевая шашка с составом (вид с торца)
Торцевая шашка с составом (вид с торца)

На вид получилось довольно плотно утрамбовать топливо. Чрезмерных усилий для этого не потребовалось. Плотность я мерить не стал, так как ещё не известно, оправдает ли этот состав моих надежд на альтернативное топливо простой натриевой карамели. Тем боле, что уже сейчас очевидно, что доставать алюминиевую пудру в необходимых количествах будет очень проблематично.

Рисунок 6 - Куски шлакового остатка
Куски шлакового остатка

После испытание осталось много твёрдого спёкшегося шлака. По всей видимости – это алюминат натрия. Как то нехорошо смотрится такой огромный кусок твёрдого остатка после сгорания этого состава. От бумажной трубки ничего не осталось, всё сгорело. Если такое будет в двигателе, то потребуется очень массивная теплоизоляция стенок камеры сгорания, что резко снизит массовое совершенство и весь выигрыш в удельном импульсе топлива будет потерян. В итоге удельный импульс двигателя может серьёзно снизится, а дополнительные затраты на закупку алюминия станут лишней тратой денег.

Рисунок 7 - Структура шлака
Структура шлака

Образовавшаяся структура шлакового остатка похожа на множество запёкшихся и сплавленных между собой шариков, образующих каркасную структуру, которая довольно хрупкая и легко разрушается на части. Сердцевина чистая светло-желтого цвета, а края серые из-за угольной копоти. Непривычно видеть такой увесистый кусок минерала после сгорания ракетного топлива, которое обычно полностью превращается в газ и дым.

Рисунок 8 - Общий вид всего шлака
Общий вид всего шлака

С другой стороны такую смесь можно использовать для получения алюмината натрия, быстро и просто.

Испытание кольцевой шашки на атмосферную скорость горения В начало

В кольцевой шашке топливо очень трудно воспламенялось. С первого раза ничего не вышло, воспламенительный заряд из селитры в воспламенительном сегменте выгорел в пустую. На видео видна уже вторая попытка зажечь это топливо. Вставил плотный свёрток селитры на дно канала и прицепил к нему толстый фитиль. Горение всё равно не началось, только благодаря, образовавшейся в глубине канала, маленькой капельке шлака топливо всё-таки загорелось. Горение вверху очень быстро закончилось, видимо это топливо также страдает провалом в законе эрозионного горения, усиленного ещё и сильным забиванием шлаком канала на выходе из него. Поэтому шашка горела в две стороны. Шлак вообще очень быстро и полностью выжигал всю конструкцию.

Алюминий в топливе полностью сгорел везде. Заметной тяги не было.

Рисунок 9 - Воспламенительный сегмент
Воспламенительный сегмент

Верхняя крышка кольцевой шашки с воспламенительной шашкой. Представляет из себя конус, заполненный испытуемым топливным составом, в который заглублён свёрток и проселитренной газетной бумаги.

Рисунок 10 - Воспламенительный сегмент (общий вид)
Воспламенительный сегмент (общий вид)

Сверху идут провода на зажигание к нихромовой спирали, которая должна инициировать зажигание в глубине канала воспламенителя. Под воспламенение отведен достаточно большой объём для воспламенительного состава, так как первые пробы на горение уже дали понять, что зажечь алюминизированную натриевую карамель будет не просто.

Рисунок 11 - Кольцевая бессопловая шашка
Кольцевая бессопловая шашка

Сама кольцевая шашка представляет собой очень простую конструкцию. Это тонкий бумажный корпус из трёх слоёв ватмана, заполненный испытуемым составом с простым цилиндрическим каналом на всю длину. Внутренний диаметр корпуса составляет 40мм, диаметр канала 18мм. Длина примерно в 6÷7 раз больше внутреннего диаметра, точно уже не помню. Сопла нет.

Рисунок 12 - Неровная торцевая поверхность
Неровная торцевая поверхность

Торцевую поверхность не успел выровнять, так как топливо быстро застыло…

Рисунок 13 - Конструкция стыка воспламенительного сегмента с канальной шашкой
Конструкция стыка воспламенительного сегмента с канальной шашкой

Воспламенительный сегмент разделялся от основной шашки через гипсовое кольцо.

Рисунок 14 - Раскалённый шлак
Раскалённый шлак

Сразу после затухания горения кольцевой шашки виден раскалённый добела твёрдый остаток шлака, который воспроизводит исходную форму шашки. Вполне может быть, что такое количество твёрдого остатка может серьёзно снизить удельный импульс топлива, ведь оно никуда не движется, а в лучшем случае вылетает за счёт газа, при этом ещё и повышает тепловой и механический износ сопла.

Ниже приведены для наглядности ещё стоп кадры видеосъёмки последствий этого испытания.

Рисунок 15 - Горячий шлак
Горячий шлак

Остывающий кусок шлака.

Рисунок 16 - Фрагмент шлака
Фрагмент шлака

В результате образовалась шлаковая трубка.

Рисунок 17 - Воспламенительный сегмент после испытания
Воспламенительный сегмент после испытания

Воспламенительному сегменту тоже сильно досталось. У него была толщина бумажной стенки 2мм, а горячие газы большей частью ушли в канал на воспламенение кольцевой шашки. Видимо поэтому она уцелела.

Рисунок 18 - Последствия испытания
Последствия испытания

Кольцевая шашка превратилась в труху.

Выводы В начало

  1. Данный состав горит хорошо, но очень плохо воспламеняется.
  2. При горении образует много твёрдого шлака, который остаётся на месте.
  3. Алюминиевая пудра сильно повышает вязкость расплава топлива, и оно совсем не льётся.
  4. Горение сопровождается ярким ослепительным жёлтым пламенем с искрами.
  5. Из-за высокой температуры образовавшегося шлака, бумажная оболочка полностью уничтожается, что делает его не выгодным для применения в двигателях с тонкой стенкой.
SashaMaks © 01.10.2007
Любительские высотно-скоростные ракеты 1996-2016