Экспериментальные топлива

F1 F2 F3 F4 F5

Эта статья скорее обзорная, или просто дневник моих экспериментов с топливами. Планирую фиксировать здесь результаты испытаний с разными составами. Удачные составы будут выделяться в отдельные статьи.

F1 (NK55NBa10So30Mg5)

Состав F1 разработан в рамках поиска топлива с красивым огненным шлейфом. Заодно хотелось посмотреть влияние нитрата бария.

Компоненты F1:

Калиевая селитра KNO₃ - 55%
Бариевая селитра Ba(NO₃)₂ - 10%
Сорбит (сорбитол) C₆H₁₄O₆ - 30%
Магний Mg (порошок МПФ-3) - 5%

Топливо готовилось по технологии сорбитовой карамели. Магний добавляется в последнюю очередь уже в расплав. 61 г состава было залито в двигатель БРДК-3. Испытания прошли 23.01.2011. Характеристики показаны на рис.1.

Скорость горения на воздухе получилась 1,8 мм/с. Для бессопловика типа БРДК-3 это маловато. Тяга получилась слабая, удельный импульс никакой. А хвост довольно приличный. Так что направление, в-принципе, взято правильное.

Добавка магния дает хороший визуальный эффект.

Нитрат бария позволяет регулировать скорость горения карамели.

/kia-soft 24.01.2011/

F2 "RLAN-M"(ПХА20НА45Мг15Сил20)

Состав F2 - первая проба перхлоратного смесевого топлива. Перхлоратные составы сейчас основные ТРТ в мировом ракетостроении и не попробовать освоить их я не мог. Тем более что они обладают высоким импульсом и создают великолепный огненный факел.

Компоненты F2:

Перхлорат аммония NH₄ClO₄ - 20%
Аммиачная селитра NH₄NO₃ - 45%
Магний Mg (порошок МПФ-4) - 15%
Силикон (Момент нейтральный) - 20%

За основу топлива F2 взял состав разработанный ракетчиком RLAN (откуда и его второе название), только вместо алюминия взял магний просто потому, что на данный момент не смог достать качественного порошка алюминия. Ну, и связку взял легкодоступную - силикон для зеркал.

Технология приготовления несложная и не требует нагрева. Размалываем смесь перхлората и селитры в кофемолке 30 с. В целях безопасности применил удаленный помол. Т.е. кофемолку поместил в пожарозащищеном удаленном месте и включал её через удлинитель.
Затем замесил размолотый окислитель с силиконом до полного смачивания. После этого добавил порошок магния.
Поместив смесь в полиэтиленовый мешок, путем многократной прокатки скалкой и жамканья руками довел состав до однородного состояния типа "мокрый песок". В таком виде он и укладывался в мотор и прессовался по аналогичной методике для БРДК-3. Выдержал под давлением 3 дня для уверенного затвердевания.

Спаленный кусочек состава показал достаточно легкое воспламенение, уверенное горение со скоростью 2,1 мм/с с хорошим пламенем. Единственное, что не понравилось - большое количество шлака, очень похожего на несгоревшую селитру.

55 г состава влезло в 20-ти миллиметровый корпус двигателя БРДК-3.
Длина мотора 150 мм.
Длина заряда получилась 125 мм.
Длина канала 120 мм.
Диаметр канала 7 мм.

Испытания прошли 06.02.2011. Характеристики показаны на рис.2.
Результаты получились не выдающиеся, но не нулевые, что внушает определенный оптимизм. Удельный импульс почти на уровне карамельных бессопловиков. Огненный хвост очень приличный. Немного портит впечатление сноп искр от несгоревших продуктов.

После зарядки мотора БРДК-3х у меня осталось около 20 г состава. Его хватило, чтобы заполнить корпус от 16-ти миллиметрового мотора РДК-2. На этом экспериментальном моторе решил проверить работу эпоксидного "полусопла" (как выразился ракетчик Pashok) с наполнителем. Идея очень простая. Бессопловой мотор на выходе дополняется эпоксидным соплом по форме являющимся как бы продолжением заряда. Несмотря на большой начальный диаметр, равный диаметру канала, и выгорание критики такое сопло все-таки позволяет лучше организовать выход продуктов сгорания и поднять характеристики мотора за счет небольшого увеличения давления по мере выгорания топлива. Технологически это очень просто и при этом не требуется значительного увеличения прочности корпуса. Единственная проблема, которая здесь наблюдается, это не очень равномерное выгорание эпоксидного состава, что приводит к отклонению вектора тяги. Один из возможных путей решения этой проблемы - добавки в эпоксидный состав мелкодисперсных порошков. Я решил проверить данную возможность путем замеса в эпоксидку 10% некондиционного порошка алюминия ПАП-1.

Итак, мотор РДК-Х2 получился такой (мм):
длина мотора 95,
диаметр 16,
длина заряда 64,
длина канала 64,
диаметр канала 6,
диаметр сопла 6,
длина сопла 16.

Испытания прошли 06.02.2011. Характеристики показаны на рис.3. Сами характеристики не имеют принципиального значения. Но на графике отчетливо видно, как растет тяга по мере увеличения диаметра свода заряда топлива. На записи испытаний очень хорошо видно, что факел организован гораздо лучше, чем в бессопловике. Он имеет четко выраженную заостренную форму. Значительно меньше выбросов шлака, что, по-видимому, означает лучшие условия для сгорания. И самое главное нет отклонения вектора тяги. При осмотре сопла после испытаний обнаружено выгорание с 6 до 9 мм. Сопло выгорело очень равномерно. Края имеют форму четкой окружности. Поверхность критики, на фото этого, к сожалению, не видно, абсолютно ровная и гладкая.

На мой взгляд, результаты прожига РДК-Х2, позволяют говорить о целесообразности применения простых сопел из эпоксидной смолы с мелкодисперсным наполнителем. Полагаю, что в качестве наполнителя может быть использован широкий круг материалов, начиная от металлических порошков до инертных, типа мел или цемент.

Не могу не отметить еще два очень положительных момента. Оба мотора легко завелись от не самого горячего воспламенителя ВЗК-2 и моментально вышли на режим. /kia-soft 07.02.2011/

Дальнейшие исследования топлива F2, продолжил на "полусопловом" моторе РДК-Х3
габариты:L=170, D=23.5, M=94.1
сопло: ЭДП+20%ПАП-1 L=14, D=7
заряд: L=138, D=20, M=60.7, Lкан=138, Dкан=7
Огневые испытания прошли 27.02.2011г. Отличный факел и очевидно приличная тяга. Однако работа мотора была пульсационной. По-видимому, для устойчивой работы не хватило давления в камере сгорания.
Реальным результатом данного испытания можно считать подтверждение положительного влияния добавки мелкодисперсного порошка в эпоксидное сопло. Разгар был большой с 7 до 13 мм, т.к. топливо горячее, но очень равномерный.

Устранить пульсации в работе мотора РДК-Х3 с топливом RLAN-M попытался подняв рабочее давление. Полусопло дополнил стальной шайбой, толщиной 1 мм и отверстием 7 мм, по диаметру канала. Доработка оказалась удачной. Пульсации прекратились. Мотор отработал с хорошим факелом и показал неплохие характеристики. Огневые испытания были проведены 13.03.2011г на новом стенде ТСК-1М. Конфигурация практически та же:
габариты: L=170, D=23.5, M=92.4
сопло: ЭДП+20%ПАП-1 L=14, D=7, + стальная шайба 18х7х1
заряд: L=132, D=20, M=58, Lкан=130, Dкан=7
Характеристики мотора приведены на рис.3А. Пусть это не супер величины, но результат вполне знаковый. Удалось при несложной полусопловой конструкции получить удельный импульс больше сотни, при этом красивый факел и достаточную тягу при практичечски нейтральном профиле. Такой мотор вполне можно ставить на ракету, хотя поэкспериментировать с некоторыми параметрами еще не повредит.
Стальная шайба разгорелась с 7 до 10,5 мм.

27.02.2011г провел испытания мотора РДК-2х, на предмет работы топлива F2 с керамическим соплом.
габариты:L=96, D=19, M=34.3
сопло: обожженная глина L=18, D=4, Da=7.5(срез)
заряд: L=67, D=16, M=19.4, Lкан=67, Dкан=5.3
Движок хотя и не выбрал вcе возможности топлива, но показал вполне рабочие характеристики, рис.4. Сопло разгорелось до 6мм. Вывод очевиден, керамика такое топливо держит плохо.
Параллельно было испытано зажигание от запала ВЗК-2 вмонтированного в переднюю эпоксидную заглушку. Новое здесь было в том, что провода запала не разъединялись и не освобождались от изоляции. Просто был взят готовый запал и залит эпоксидкой. Проблем с работой не было. Вполне оправданное упрощение технологии. /kia-soft 27.02.2011/

F3 (NK65So30Mg5)

Состав F3 разработан в рамках поиска топлива, работающего с ярким факелом. Исследовалось влияние замещение 5% сорбита порошком магния.

Компоненты F3:

Калиевая селитра KNO₃ - 65%
Сорбит (сорбитол) C₆H₁₄O₆ - 30%
Магний Mg (порошок МПФ-4) - 5%

Топливо готовилось по технологии сорбитовой карамели.

Состав был запрессован в двигатель РДК-Х3.
габариты:L=170, D=24, M=106.6
сопло: ЭДП+20%ПАП-1 L=17, D=7
заряд: L=137, D=20, M=72.1, Lкан=137, Dкан=7
Огневые испытания прошли 27.02.2011г. Двигатель отработал неплохо, рис.5, но ярко выраженного факела не получилось. Добавка 5% магния в условиях "полусоплового" мотора дает слабый визуальный эффект.

Еще раз подтвердилось положительное влияние добавки мелкодисперсного порошка в эпоксидное сопло. Разгар был равномерный с 7 до 12,5 мм. /kia-soft 02.03.2011/

F4 (NK35NN30Su35)

Давно хотел попробовать карамель с добавкой натриевой селитры. Ракетчик Serge77 в своих экспериментах показал, что при примерно одинаковом количестве KNO3 и NaNO3 происходит быстрое растворение окислителя в расплаве сахара и состав становиться достаточно жидким для отливки шашек. В случае, когда горючим является сахароза, рекомендуется добавлять сверху 1% воды для ускорения расплавления сахара во избежание перегрева и потемнения.

Компоненты F4:

Калиевая селитра KNO₃ - 35%
Натриевая селитра NaNO₃ - 30%
Сахар (сахароза) C₁₂H₂₂O₁₁ - 35%
Вода H₂O - 1% сверху.

Топливо готовилось по стандартной технологии. Смесь селитр размолота в кофемолке 30 сек. Сахар взял уже готовый в виде сахарной пудры. Засыпал в ковшик, добавил воды и расплавил на плитке. Не знаю, что сделано было не так, но жидкого состава не получилось. Плавление началось только при 180°C. Заливке такой состав не подлежал и в тестовый мотор на базе РДК-2У его пришлось укладывать. Застывает очень быстро даже при неполном остывании. Колбаску скатать надо еще успеть. Это создаёт большие сложности при зарядке мотора. После застывания очень твердое, усадки не дает.

Были предположения, что в покупной сахарной пудре есть примесь крахмала, а воду надо было сначала налить в емкость, а уже потом засыпать состав. Однако проверка на практике не дала заметной разницы.

В остальном топливо вполне достойное. Загорается легко, горит активно с длинным языком желтого пламени. Для проверки скорости горения сжег тестовый столбик. Получил скорость горения 2,58 мм/с.

Прожиг в моторе 29.01.2012 окончился взрывом. Скорее всего, причиной стала бОльшая активность топлива F4 по сравнению со стандартной сорбитовой карамелью.

F5 (NK35NN30So35)

Топливо F5 отличается от F4 горючим. Здесь использован сорбит.

Компоненты F5:

Калиевая селитра KNO₃ - 35%
Натриевая селитра NaNO₃ - 30%
Сорбит (сорбитол) C₆H₁₄O₆ - 35%

Технология та же, только воды не требуется. Плавление проводилось при 140°C. Расплав получился заметно более жидкий, чем стандартная карамель. Очень легко заливается в корпус или шашку. Застывает примерно так же, как стандартная сорбитовая карамель. Усадка значительна - ровная колбаска после застывания стала каким-то многоугольником.

Загорается легко, горит неплохо, но пламя маленькое. Для проверки скорости горения сжег тестовый столбик. Получил скорость горения 1,33 мм/с.

Испытание в моторе РДК-2У провел 17.05.2012. Параметры показаны на рис.6. Топливо помягче стандартной калиевой карамели, но вполне рабочее. Геометрию заряда и критику надо оптимизировать под него. Трассер 24 мм отработал 13,5 сек.

Усадка не сказалась на работе мотора. Топливо в моторе пролежало всю зиму без последствий, правда закупорено было наглухо.

***