Композитное ракетное топливо на основе перхлората аммония ( APCP ) — это твердое ракетное топливо . Оно отличается от многих традиционных твердых ракетных топлив, таких как черный порох или цинк-сера , не только химическим составом и общими характеристиками, но и тем, что его формуют методом литья , а не прессования порошка [ сломанный якорь ], как в случае с черным порохом. Это обеспечивает регулярность и повторяемость производства, которые являются необходимыми требованиями для использования в аэрокосмической промышленности.
Композитное топливо на основе перхлората аммония обычно используется в аэрокосмических ракетных двигателях, где требуются простота и надежность, а удельные импульсы (в зависимости от состава и рабочего давления ) 180–260 с (1,8–2,5 км/с) являются достаточными. Благодаря этим эксплуатационным характеристикам APCP использовался в твердотопливных ракетных ускорителях Space Shuttle , катапультных креслах самолетов и специальных космических исследовательских приложениях, таких как ретроракеты посадочной ступени Mars Exploration Rover NASA . Кроме того, сообщество ракетной техники высокой мощности регулярно использует APCP в форме коммерчески доступных «перезагрузок» топлива, а также одноразовых двигателей. Опытные ракетчики-экспериментаторы и любители также часто работают с APCP, самостоятельно обрабатывая APCP.
_is_shaped_by_a_Worker.png/1280px-Ammonium_Perchlorate_Composite_Propellant_(uncured)_is_shaped_by_a_Worker.png)
Композитное топливо на основе перхлората аммония является композитным топливом, что означает, что в нем есть как топливо, так и окислитель, объединенные в однородную смесь, в данном случае с резиноподобным связующим в качестве части топлива. Топливо чаще всего состоит из перхлората аммония (AP), эластомерного связующего, такого как полибутадиен с концевыми гидроксильными группами (HTPB) или полибутадиенакриловой кислоты акрилонитрила преполимера (PBAN), порошкообразного металла (обычно алюминия ) и различных катализаторов скорости горения . Кроме того, отверждающие добавки вызывают сшивание эластомерного связующего для затвердевания топлива перед использованием. Перхлорат служит окислителем , в то время как связующее и алюминий служат топливом . Катализаторы скорости горения определяют, как быстро горит смесь. Полученное отвержденное топливо довольно эластично (резиноподобно), что также помогает ограничить трещинообразование во время накопленных повреждений (например, при транспортировке, установке, резке) и в приложениях с высоким ускорением, таких как хобби или военная ракетная техника. Сюда входят миссии Space Shuttle , в которых APCP использовался для двух SRB.
Состав APCP может значительно различаться в зависимости от применения, предполагаемых характеристик горения и ограничений, таких как тепловые ограничения сопла или удельный импульс (I sp ). Грубые массовые пропорции (в высокопроизводительных конфигурациях) имеют тенденцию быть около 70/15/15 AP/HTPB/Al, хотя довольно высокопроизводительные «малодымные» могут иметь составы примерно 80/18/2 AP/HTPB/Al. Хотя металлическое топливо не требуется в APCP, большинство формул включают по крайней мере несколько процентов в качестве стабилизатора горения, замутнителя топлива (для ограничения чрезмерного инфракрасного предварительного нагрева топлива) и повышения температуры газов сгорания (увеличения I sp ).
Хотя увеличение соотношения металла-топлива к окислителю до стехиометрической точки увеличивает температуру горения, присутствие увеличивающейся молярной доли оксидов металлов, в частности оксида алюминия (Al 2 O 3 ), осаждающихся из газообразного раствора, создает глобулы твердых веществ или жидкостей, которые замедляют скорость потока по мере увеличения средней молекулярной массы потока. Кроме того, изменяется химический состав газов, изменяя эффективную теплоемкость газа. Из-за этих явлений существует оптимальный нестехиометрический состав для максимизации Isp примерно 16% по массе, предполагая, что реакция горения завершается внутри камеры сгорания .
Время сгорания частиц алюминия в горячем газе сгорания варьируется в зависимости от размера и формы частиц алюминия. В небольших двигателях APCP с высоким содержанием алюминия время пребывания газов сгорания не обеспечивает полного сгорания алюминия, и, таким образом, значительная часть алюминия сжигается вне камеры сгорания, что приводит к снижению производительности. Этот эффект часто смягчается за счет уменьшения размера частиц алюминия, вызывая турбулентность (и, следовательно, большую характерную длину пути и время пребывания) и/или за счет уменьшения содержания алюминия, чтобы обеспечить среду сгорания с более высоким чистым окислительным потенциалом, гарантируя более полное сгорание алюминия. Сгорание алюминия внутри двигателя является лимитирующим скорость путем, поскольку капли жидкости и алюминия (даже все еще жидкие при температурах 3000 К (2730 °C; 4940 °F)) ограничивают реакцию гетерогенным интерфейсом глобул, делая отношение площади поверхности к объему важным фактором при определении времени пребывания сгорания и требуемого размера/длины камеры сгорания.
Распределение размеров частиц топлива оказывает глубокое влияние на производительность 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, чтобы разложиться в газ, прежде чем он сможет окислить компоненты топлива. Этот процесс может быть этапом, ограничивающим скорость в общей скорости сгорания APCP. Это явление можно объяснить, рассмотрев 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, что примерно пропорционально тепловому потоку в частицу. Следовательно, скорость повышения температуры частицы максимальна, когда размер частицы минимизирован.
Обычные формулы APCP требуют 30–400 мкм частиц AP (часто сферических), а также 2–50 мкм частиц Al (часто сферических). Из-за разницы в размерах между AP и Al, Al часто занимает промежуточное положение в псевдорешетке частиц AP.
APCP дефлагрирует с поверхности открытого топлива в камере сгорания. Таким образом, геометрия топлива внутри ракетного двигателя играет важную роль в общей производительности двигателя. По мере того, как поверхность топлива сгорает, форма меняется (предмет изучения внутренней баллистики), чаще всего изменяя площадь поверхности топлива, подвергающуюся воздействию газов сгорания. Массовый поток (кг/с) [и, следовательно, давление] образующихся газов сгорания является функцией мгновенной площади поверхности (м 2 ), плотности топлива (кг/м 3 ) и линейной скорости горения (м/с):
В зависимости от области применения и желаемой кривой тяги часто используются несколько геометрических конфигураций :
В то время как площадь поверхности можно легко регулировать путем тщательного геометрического проектирования топлива, скорость горения зависит от нескольких тонких факторов:
Однако вкратце можно сказать, что большинство составов имеют скорость горения от 1 до 3 мм/с при STP и от 6 до 12 мм/с при 68 атм. Характеристики горения (такие как линейная скорость горения) часто определяются до запуска ракетного двигателя с помощью испытания на стрэнд-горелке . Это испытание позволяет производителю APCP характеризовать скорость горения как функцию давления. Эмпирически APCP довольно хорошо придерживается следующей модели степенной функции:
Стоит отметить, что обычно для APCP n составляет 0,3–0,5, что указывает на то, что APCP является субкритически чувствительным к давлению. То есть, если бы площадь поверхности поддерживалась постоянной во время горения, реакция горения не ушла бы (теоретически) в бесконечность, поскольку давление достигло бы внутреннего равновесия. Это не означает, что APCP не может вызвать взрыв , просто он не детонирует. Таким образом, любой взрыв был бы вызван давлением, превышающим давление разрыва контейнера (ракетного двигателя).
Коммерческие ракетные двигатели APCP обычно выпускаются в виде перезаряжаемых двигательных систем (RMS) и полностью собранных одноразовых ракетных двигателей. Для RMS « зерна » APCP (цилиндры с топливом) загружаются в корпус многоразового двигателя вместе с последовательностью изоляционных дисков и уплотнительных колец и соплом ( графит или наполненная стеклом фенольная смола ). Корпус двигателя и затворы обычно покупаются отдельно у производителя двигателя и часто изготавливаются с высокой точностью из алюминия. Собранный RMS содержит как многоразовые (обычно металлические), так и одноразовые компоненты.
Основными поставщиками APCP для любительского использования являются:
Для достижения различных визуальных эффектов и летных характеристик поставщики любительских APCP предлагают различные типы характерного топлива. Они могут варьироваться от быстрогорящих с небольшим дымом и синим пламенем до классических белых дымов и белого пламени. Кроме того, доступны цветные формулы для отображения красного, зеленого, синего и даже черного дыма.
В ракетах средней и высокой мощности APCP в значительной степени заменил черный порох в качестве ракетного топлива. Спрессованные куски черного пороха становятся склонными к разрушению в более крупных применениях, 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 из твердотопливных ракетных двигателей APCP в основном содержит воду , углекислый газ , хлористый водород и оксид металла (обычно оксид алюминия ). Хлористый водород может легко растворяться в воде и создавать едкую соляную кислоту . Экологическая судьба хлористого водорода недостаточно документирована. Соляная кислота, входящая в состав выхлопа APCP, приводит к конденсации атмосферной влаги в шлейфе, и это усиливает видимую сигнатуру инверсионного следа. Эта видимая сигнатура, среди прочего, привела к исследованиям в области более чистого горения топлива без видимых сигнатур. Минимально сигнатурные топлива содержат в основном богатые азотом органические молекулы (например, динитрамид аммония ) и в зависимости от источника окислителя могут гореть более горячо, чем композитные топлива APCP.
В Соединенных Штатах APCP для любительского использования косвенно регулируется двумя неправительственными агентствами: Национальной ассоциацией ракетостроения (NAR) и Ассоциацией ракетостроения Триполи (TRA). Оба агентства устанавливают правила, касающиеся импульсной классификации ракетных двигателей и уровня сертификации, требуемой ракетчиками для покупки определенных импульсных (размерных) двигателей. NAR и TRA требуют, чтобы производители двигателей сертифицировали свои двигатели для распространения среди поставщиков и, в конечном счете, любителей. Поставщик несет ответственность (NAR и TRA) за проверку любителей на предмет сертификации для ракет большой мощности перед продажей. Количество APCP, которое может быть куплено (в виде перезарядки ракетного двигателя), коррелирует с импульсной классификацией, и, следовательно, количество APCP, которое может купить любитель (в любом отдельном наборе для перезарядки), регулируется NAR и TRA.
Всеобъемлющая законность относительно внедрения APCP в ракетных двигателях изложена в NFPA 1125. Использование APCP за пределами хобби регулируется государственными и муниципальными пожарными кодексами. 16 марта 2009 года было постановлено, что APCP не является взрывчатым веществом и что производство и использование APCP больше не требует лицензии или разрешения от ATF . [1]
