< Serge77 - Моя ракетная мастерская >

Дисперсный алюминий широко используется в твёрдых ракетных топливах как добавка, повышающая удельный импульс и плотность. Однако в карамельных топливах возможность использования алюминия не изучалась. Р.Накка провёл один тест летом 2004 г, испытав топливо KNO3-глюкоза (dextrose) с добавкой 18% алюминия. Двигатель взорвался сразу после выхода на режим, поэтому никаких данных получить не удалось, но по виду факела было заметно, что алюминий хотя бы частично сгорает в двигателе.

ВНИМАНИЕ! Хорошо известно, что алюминий реагирует с нитратами в присутствии влаги, эта реакция идёт с самоускорением и может привести к самовоспламенению смеси, причём не только при начальном смешивании, но и при хранении. Эта реакция сильно ускоряется в присутствии щелочных примесей, например карбонатов, и практически не идёт в слабокислой среде. Поэтому в пиротехнике во все составы, содержащие алюминий и нитраты, обязательно добавляют 0.5 - 1% слабой кислоты, например борной. Используют также канифоль (это слабая органическая кислота) или стеариновую кислоту. Роль кислоты может играть также и дисперсная сера. Нельзя использовать щавелевую или уксусную кислоту, они достаточно сильные и могут сами реагировать с алюминием.

В связи с этой опасностью необходимо обязательно контролировать присутствие щелочных примесей в исходных компонентах. Например, примеси могут быть в нитратах, особенно если они неизвестного происхождения и качества, или если они изготавливались самостоятельно из карбонатов или гидроксидов. Подчеркну: совершенно недостаточно просто добавить “стандартные” 0.5 – 1% борной кислоты, потому что щелочных примесей может быть много и этого количества кислоты будет недостаточно для их нейтрализации. Обязательно нужно контролировать исходные компоненты, pH концентрированного водного раствора должен быть около 5-6.

Признаками того, что алюминий начал реагировать, являются разогревание, вспенивание, запах аммиака. При появлении хотя бы одного из этих признаков нужно немедленно погрузить посуду с топливом в воду.

-----------

Первые пробы я делал с алюминиевой пудрой (пигмент). Добавка к стандартной карамели KNO3-сорбит 10% алюминия приводит к сильному загущению, с такой массой очень неудобно работать. На воздухе топливо горит медленнее исходной карамели, алюминий не сгорает, остаётся много шлаков. В двигателе не испытывал.

Дальнейшие опыты я проводил со сферическим алюминием АСД-4, он добавлялся в карамельные топлива сверх 100%. На воздухе все эти топлива горят хуже, чем без алюминия, алюминий не сгорает, остаётся в шлаке в исходном состоянии – в виде очень мелких блестящих шариков, хорошо различимых под микроскопом. Однако при горении в двигателе картина меняется. Для сравнения приведены данные и для топлив без алюминия. Номера соответствуют моему карамельному журналу.

Состав K136. Стандартная сорбитовая карамель.

65% KNO3
35% сорбит

Состав K132. Стандартная сорбитовая карамель + 10% алюминия.

65% KNO3
35% сорбит
+10% Al

Топливо легко смешивается, по вязкости примерно как исходное топливо без алюминия, затвердело как обычная карамель. Ярко-белый факел светящейся окиси алюминия немного скрадывается белым дымом. Эрозия сопла отсутствует. В двигателе осталось совсем немного пористого шлака, алюминия в шлаке нет.

Состав K133. Стандартная сорбитовая карамель + 20% алюминия.

65% KNO3
35% сорбит
+20% Al

Топливо легко смешивается, текучесть его немного выше, чем у исходного топлива без алюминия, это связано с тем, что алюминий повышает плотность. Затвердело как обычная карамель. Жёлтый оттенок факела скорее всего обусловлен присутствием сажи. Разлетающиеся искры – это раскалённые капли окиси алюминия, а не догорание алюминия на воздухе. На выходе из сопла осталась застывшая корона из этих капель. Эрозия сопла отсутствует. В двигателе осталось совсем немного пористого шлака, алюминия в шлаке нет.

Состав K122. Натриевая сахарная карамель.

66% NaNO3
33% сахар
1% FeOOH

Изготовление: сахар и 10% NaNO3 растворяются в воде, раствор упаривается, получается прозрачный жидкий сироп. Если упаривать сахар без нитрата, сахар легко кристаллизуется, а растворённый нитрат этому препятствует. К полученному сиропу добавляется остальной нитрат, размолотый с окисью железа. Топливо легко смешивается, текучесть его примерно такая же, как у стандартной карамели. При охлаждении сразу затвердевает.

Топливо гигроскопично, на открытом воздухе быстро покрывается жидкостью. Эта шашка хранилась полгода в двух тонких полиэтиленовых пакетах, за это время примерно 3-4 мм наружного слоя топлива стали мягкими, я этот слой не счищал.

Состав K123. Натриевая сахарная карамель + 10% Al.

66% NaNO3
33% сахар
1% FeOOH
+10% Al

Изготовление аналогично K122. Состояние после хранения такое же, как у K122.

Это был первый испытанный мною состав карамели с алюминием. Я не знал, насколько сильно алюминий увеличивает скорость горения, поэтому поставил такое же сопло, как для состава K122, Kn = 371. Сопло разгорелось с 4 мм до овала размером 5 мм на 6 мм, на внутренней поверхности канала хорошо видны мелкие волны утекающего металла. Скорее всего это связано в основном с очень большим давлением в двигателе, а не только с температурой, потому что другие топлива, даже с 20% алюминия, никакого разгара не давали.

Состав K137. Натриевая сорбитовая карамель + 10% алюминия.

66% NaNO3
33% сорбит
1% FeOOH
+10% Al

Топливо изготавливалось методом плавления. Легко смешивается, текучесть немного выше, чем у стандартной карамели. За три дня топливо не затвердело, получился полутвёрдый пластилин. На открытом воздухе поверхность топлива покрывается твёрдой корочкой, которая постепенно начинает подниматься волнами, разрушая поверхность. Эрозия сопла отсутствует. В двигателе осталось совсем немного пористого шлака, алюминия в шлаке нет.

Шашки составов K136, K132, K133, K137. Изготовлены методом заливки в несклеенную трубку.

Результаты испытаний.

Размеры и вес шашек K122 и K123 примерные, потому что сразу после изготовления я их не измерил, а после хранения и частичного намокания взвешивать уже не было смысла.

1. Алюминий прекрасно горит в составе карамельного топлива, несмотря на относительно низкую температуру. Очевидно, это связано с тем, что щелочные продукты горения (KOH, K2CO3, NaOH, Na2CO3) способствуют разрушению защитной оксидной плёнки на алюминии. Вероятно, добавка KNO3 или NaNO3 к топливам на основе нитрата аммония может улучшить сгорание алюминия.
2. На основе простых карамельных составов можно получить топлива с высоким удельным импульсом, хорошим пламенем и дымом. Но нельзя забывать об опасности, указанной в начале страницы!