Obecnie w Polsce rozwija się modelarstwo rakietowe dużych mocy (RDM). Zagraniczni producenci silników modelarskich dużej mocy (o impulsie całkowitym większym niż 160[Ns]) zrezygnowali z prochu czarnego na rzecz mieszanin wysokoenergetycznych, także w najniższych klasach silników.
Paliwa amatorskie bazują w większości na azotanie potasu KNO3 w połączeniu z cukrami lub w kompozycjach z żywicami epoksydowymi i proszkami metali. Proch czarny nie jest stosowany z uwagi na trudność w uzyskaniu powtarzalnych efektów. Poniżej podajemy podstawowe informacje o paliwach amatorskich wraz z przykładowymi testami.
KARMELEK
Skład tego paliwa oparty jest na azotanie potasu KNO3 (utleniacz) w postaci nawozu sztucznego. Podczas rozkładu wydziela tlenek potasu, będący głównym składnikiem dymu. Ponieważ K2O wydziela się w postaci stałej - ma niewielki wpływ na uzyskiwany impuls właściwy paliwa. Wadą utleniacza jest też ujemne ciepło rozkładu. Jako reduktor stosuje się cukry (sacharoza, glukoza lub sorbitol), które zarazem stanowią lepiszcze mieszaniny paliwowej. Wadą cukrów jest ich higroskopijność. Jako katalizator stosuje się tlenek żelaza Fe2O3 zwiększający szybkość spalania.
Paliwo jest łatwo zapalne, na wolnym powietrzu płonie intensywnie fioletowym płomieniem. Praca silnika rakietowego jest charakterystyczna w tym sensie, że jest krótkotrwała i z wyjątkiem słupa dymu nie widać płomienia w strudze gazów wylotowych.
Uzyskiwany impuls jednostkowy silników rakietowych z paliwem karmelkowym kształtuje się w okolicach 1100-1300 [Ns/kg]. Paliwo jest higroskopijne. Pomimo tych cech jest najczęściej używanym paliwem amatorskim, o jego popularności niech świadczy projekt "Sugar Shot to Space", w ramach którego ma zostać wystrzelona rakieta, która przekroczy 100km wysokości. http://www.sugarshot.org/
Można uznać, że paliwo jest niskotemperaturowe i niskoenergetyczne, zaletą jest jego duży ciężar właściwy.
Widełki składu procentowego:
60 - 65 % azotan
35 - 40 % cukier
0 - 2 % dodatki np. Fe2O3, węgiel drzewny
Początkujacy modelarze stosują skład 60/40 ze względu na dużą lejność mieszanki. Według badań własnych, parametry energetyczne paliwa rosną wraz ze wzrostem procentowym utleniacza. Najlepszymi właściwościami energetycznymi charakteryzuje się skład 65/35, jednak już "niewygodny" z powodu dużej gęstości po stopieniu skład 66/34 odpowiada impulsem właściwym składowi 60/40. Dobrym składem wydaje się 64/36 ze śladową ilością węgla drzewnego (0,1%) w celu sprawdzenia dokładności wmieszania składników przed stopieniem.Przedstawiono test składu 64KN 0,5C 35,5SU.
Obliczenia przykładowego składu w programie PROPEP:
CODE WEIGHT D-H DENS COMPOSITION
821 POTASSIUM NITRATE 65.000 -1167 0.07670 1N 3O 1K
897 SUCROSE (TABLE SUGAR) 35.000 -1550 0.05740 22H 12C 11O
THE PROPELLANT DENSITY IS 0.06862 LB/CU-IN OR 1.8995 GM/CC
THE TOTAL PROPELLANT WEIGHT IS 100.0000 GRAMS
NUMBER OF GRAM ATOMS OF EACH ELEMENT PRESENT IN INGREDIENTS
2.249436 H 1.226965 C 0.642877 N 3.053349 O 0.642877 K
****************************CHAMBER RESULTS FOLLOW *****************************
T(K) T(F) P(ATM) P(PSI) ENTHALPY ENTROPY CP/CV GAS RT/V
1722. 2640. 68.02 1000.00 -130.10 166.00 1.1332 2.383 28.551
SPECIFIC HEAT (MOLAR) OF GAS AND TOTAL= 10.508 14.982
NUMBER MOLS GAS AND CONDENSED= 2.3825 0.3062
0.79708 H2O 0.53268 CO 0.38798 CO2 0.32136 N2
0.31300 H2 0.30623 K2CO3* 0.02855 KHO 0.00151 K
1.57E-04 K2H2O2 9.97E-05 NH3 1.90E-05 H 1.34E-05 KH
1.06E-05 KCN 6.74E-06 CH4 3.48E-06 CH2O 3.32E-06 CNH
2.70E-06 HO
THE MOLECULAR WEIGHT OF THE MIXTURE IS 37.192
****************************EXHAUST RESULTS FOLLOW *****************************
T(K) T(F) P(ATM) P(PSI) ENTHALPY ENTROPY CP/CV GAS RT/V
1144. 1600. 1.00 14.70 -157.75 166.00 1.1387 2.352 0.425
SPECIFIC HEAT (MOLAR) OF GAS AND TOTAL= 9.711 14.355
NUMBER MOLS GAS AND CONDENSED= 2.3522 0.3212
0.67409 H2O 0.50946 CO2 0.45027 H2 0.39630 CO
0.32140 N2 0.32114 K2CO3& 0.00055 KHO 0.00003 K
1.84E-05 NH3 1.20E-05 CH4
THE MOLECULAR WEIGHT OF THE MIXTURE IS 37.406
**********PERFORMANCE: FROZEN ON FIRST LINE, SHIFTING ON SECOND LINE**********
IMPULSE IS EX T* P* C* ISP* OPT-EX D-ISP A*M EX-T
153.3 1.1380 1611. 39.24 3007.9 10.09 291.2 0.09351 1032.
155.1 1.1101 1635. 39.63 3069.2 116.1 10.70 294.6 0.09542 1144.
Legenda:
1. The first line of the performance results refers to frozen flow, no chemical reactions, through the nozzle; and the second line refers to shifting flow, reactions in equilibrium, through the nozzle. The theoretical exhaust velocity can be found by multiplying ISP by 9.806 m/sec^2.
2. IS EX is the isentropic exponent such that PV**IS EX = constant for isentropic flow near the nozzle throat. The values of IS EX and CP/CV do not agree, because the gas in not perfect.
3. T* and P* are throat temperature (in K) and pressure (in atmospheres).
4. C* is the characteristic velocity in ft/sec, the nozzle thrust coefficient, CF = 32.17 * ISP / C*.
5. ISP* is the vacuum impulse to be obtained from a sonic nozzle. That term is used in air-breathing propulsion work.
6. OPT EX is the ratio of the nozzle exit area to nozzle throat area at which exit pressure equals ambient pressure.
7. D-ISP is the density ISP.
8. A*M. is the ratio of nozzle throat area to mass flow rate expressed as in**2-sec/lb.
9. EX T is the exit plane temperature in degrees K.
Technologia wykonania:
Saletrę potasową należy wysuszyć i poddać zmieleniu w taki sposób, aby uzyskać rozdrobnienie rzędu 36 mikrometrów. Następnie w mieszalniku należy wymieszać utleniacz z reduktorem (najlepiej z cukrem pudrem w przypadku sacharozy). Warto dodać 0,1% sadzy lub wegla drzewnego, który ma za zadanie pokazać dokładność wymieszania paliwa. Po uzyskaniu jednolitej mieszaniny bez zbryleń należy przygotować łaźnię olejową o temperaturze wystarczającej do stopienia danego gatunku cukru (170 stopni Celsjusza dla sacharozy). Zastąpienie sacharozy sorbitolem poprawia nieco bezpieczeństwo wykonania paliwa ponieważ do stapiania można użyć łaźni wodnej.
Mieszaninę po stopieniu należy natychmiast odlewać do form. Przez kilka minut masa zachowuje plastyczność, po wystygnięciu staje się twarda i ukształtowany blok paliwowy jest gotowy do użycia.
Osobną metodą wykonania paliwa z użyciem otwartego ognia jest gotowanie mieszanki z dodatkiem sporej ilości wody (r-candy). Odparowywanie wody może trwać ponad godzinę. Po odparowaniu wody paliwo zaczyna przybierać barwę żółtawą z powodu stopniowego rozkładu cukru. Tak otrzymane paliwo daje się formować ręcznie przez kilkanaście minut nawet po ostygnięciu. Pełną twardość uzyskuje po kilku godzinach.
Dobrze przygotowane paliwa karmelkowe mają barwę zbliżoną do białej (nie doszło do karmelizacji cukrów).
Do przechowywania blok powinien być zabezpieczony przed wilgocią.
PALIWO ŻYWICZNE
Podobnie jak paliwo karmelkowe skład paliwa żywicznego oparty jest na azotanie potasu KNO3. Jako reduktor stosuje się proszki metali takie jak magnez, aluminium, tytan, PAM. Jako lepiszcze stosuje się żywicę epoksydową np. Epidiany z utwardzaczem aminowym np. Z1. Jako katalizator stosuje się głównie tlenek żelaza Fe2O3. Inne dodatki to węgiel drzewny i wypełniacze np. cukier puder, skrobia ziemniaczana.
Paliwo jest całkowicie niehigroskopijne, co stanowi jego główną zaletę. Jest łatwo zapalne, na wolnym powietrzu płonie intensywnie. Praca silnika rakietowego jest bardzo widowiskowa, widać wyraźny płomień i gęsty dym. Paliwo jest także bezpieczniejsze w przygotowaniu, gdyż nie wymaga stosowania podwyższonej temperatury, jak w przypadku karmelków.
Widełki składu procentowego:
58 – 62 % azotan potasu
10 – 20 % proszki metali
10 – 20 % żywica epoksydowa
0 – 10 % cukier puder lub skrobia
1 - 3 % inne dodatki np. Fe2O3, węgiel drzewny, siarka
Paliwa żywiczne są znacznie gorętsze od karmelków co wymaga dobrania odpowiednio niskiego bilansu tlenowego (poniżej -25%). W przeciwnym razie dochodzi do sporej erozji dysz. Stosowanie aluminium jako reduktora powoduje wydzielanie dużej ilości tlenków na powierzchniach wewnętrznych dysz i trudności z ich czyszczeniem po pracy silnika. Dobrym rozwiązaniem jest stosowanie proszku magnezu co praktycznie całkowicie ogranicza występowanie nagarów. Przedstawiono test składu 61KN 15Mg 11Su 1Fe2O3 12EPOXY. Zacisk początkowy wynosił Kn = 390, nastąpiła jedynie nieznaczna erozja grafitu piecowego z 5,8 na 6,0mm bez naruszenia oprawy aluminiowej.
Pomimo lepszych wyników teoretycznych od karmelka, impulsy jednostkowe silników z paliwem żywicznym nie osiągają 1400 [Ns/kg]. Z racji wysokiej temperatury spalania paliwo można stosować w zapłonnikach dla trudnozapalnych paliw amonowych.
Obliczenia przykładowego składu w programie PROPEP:
CODE WEIGHT D-H DENS COMPOSITION
821 POTASSIUM NITRATE 60.000 -1167 0.07670 1N 3O 1K
897 SUCROSE (TABLE SUGAR) 10.000 -1550 0.05740 22H 12C 11O
605 MAGNESIUM (PURE) 15.000 0 0.06280 1MG
383 EPOXY 201 15.000 -661 0.04040 24H 16C 4O
THE PROPELLANT DENSITY IS 0.06383 LB/CU-IN OR 1.7668 GM/CC
THE TOTAL PROPELLANT WEIGHT IS 100.0000 GRAMS
NUMBER OF GRAM ATOMS OF EACH ELEMENT PRESENT IN INGREDIENTS
1.926723 H 1.206579 C 0.593425 N 2.315627 O
0.616776 MG 0.593425 K
****************************CHAMBER RESULTS FOLLOW *****************************
T(K) T(F) P(ATM) P(PSI) ENTHALPY ENTROPY CP/CV GAS RT/V
1970. 3087. 68.02 1000.00 -95.43 169.89 1.1859 2.780 24.473
SPECIFIC HEAT (MOLAR) OF GAS AND TOTAL= 8.955 10.236
NUMBER MOLS GAS AND CONDENSED= 2.7795 0.6618
1.10660 CO 0.71293 H2 0.61675 MgO& 0.29127 N2
0.23877 KHO 0.23789 K 0.12660 H2O 0.04499 K2CO3*
0.04415 CO2 0.01049 KCN 0.00436 K2 0.00399 KH
1.76E-03 K2H2O2 2.26E-04 H 1.72E-04 NH3 1.20E-04 CNH
1.05E-04 CH4 2.35E-05 K2C2N2 1.28E-05 CH2O 3.91E-06 MgH2O2
3.88E-06 HO 2.53E-06 CNHO 2.27E-06 Mg 2.25E-06 CHO
1.53E-06 KO 1.15E-06 MgHO
THE MOLECULAR WEIGHT OF THE MIXTURE IS 29.059
****************************EXHAUST RESULTS FOLLOW *****************************
T(K) T(F) P(ATM) P(PSI) ENTHALPY ENTROPY CP/CV GAS RT/V
1389. 2041. 1.00 14.70 -131.87 169.89 1.1548 2.489 0.402
SPECIFIC HEAT (MOLAR) OF GAS AND TOTAL= 8.055 11.227
NUMBER MOLS GAS AND CONDENSED= 2.4893 0.7974
0.99583 CO 0.88422 H2 0.61676 MgO& 0.29580 N2
0.18061 K2CO3* 0.17850 K 0.05325 H2O 0.05098 KHO
0.02827 CO2 0.00176 KCN 0.00020 K2 0.00018 KH
1.76E-04 K2H2O2 3.80E-05 CH4 1.63E-05 NH3 6.24E-06 CNH
THE MOLECULAR WEIGHT OF THE MIXTURE IS 30.426
**********PERFORMANCE: FROZEN ON FIRST LINE, SHIFTING ON SECOND LINE**********
IMPULSE IS EX T* P* C* ISP* OPT-EX D-ISP A*M EX-T
170.3 1.1952 1795. 38.46 3410.7 8.95 301.0 0.10603 989.
178.1 1.1318 1876. 39.32 3501.7 133.5 10.49 314.6 0.10886 1389.
Technologia wykonania:
Saletrę potasową należy wysuszyć i poddać zmieleniu w taki sposób aby uzyskać rozdrobnienie rzędu 36 mikrometrów. Następnie w mieszalniku należy wymieszać utleniacz z pozostałymi sypkimi składnikami do uzyskania jednolitej szarej mieszaniny bez widocznych grudek. W odpowiednim naczyniu należy połączyć żywicę z utwardzaczem. Na wymieszane lepiszcze należy wsypać przygotowane w mieszalniku pozostałe składniki paliwa i rozprowadzać aż do idealnego przesycenia mieszanki.
Gotową mieszaninę należy formować w bloki w momencie widocznego początku sieciowania żywicy. Przy konsystencjach bardzo żadkich (20% żywicy) należy stosować kilkunastominutowe odsysanie gazów przed formowaniem natychmiast po zmieszaniu. Przy konsystencjach sypkich (poniżej 15% żywicy) możliwe jest zastosowanie prasy bez odsysania produktów reakcji KNO3 z aminami (utwardzacz Z1).
Bloki paliwa są gotowe w momencie całkowitego stwardnienia żywicy. Należy zachować niską wilgotność składników. Wilgoć powoduje złe sieciowanie żywicy epoksydowej i niemożność uzyskania odpowiedniej twardości bloków.
PALIWO AMONOWE
Paliwa bazują na azotanie amonu NH4NO3 (utleniacz). Azotan amonu jest najtańszym dostępnym utleniaczem, w całości rozkłada się do gazów, nie wydziela związków chloru szkodliwych dla środowiska, zaś uzyskiwany teoretyczny impuls właściwy niewiele ustępuje paliwom na bazie nadchloranu amonu. Jako reduktor stosuje się proszek magnezu. Magnez metaliczny dostępny w handlu osiąga cenę proszków aluminiowych, jednak w odróżnieniu od aluminium przy “niskich” temperaturach spalania tlenek magnezu nie osadza się w przekroju krytycznym dysz.
Dobrym lepiszczem, a zarazem reduktorem do bindowania paliw amonowych są poliuretany. Poliole sieciowane izocyjanianami nie powodują wypierania amoniaku z azotanu amonu (jak ma to miejsce w kontakcie z aminami). Dobrze sprawuje się klasyczny binder do paliw rakietowych – hydroksylowo zakończony polibutadien (HTPB) sieciowany izocyjanianem (MDI).
Jako katalizator spalania stosuje się dwuchromian monu, który stabilizuje i przyspiesza prędkość spalania. Wadą katalizatora są jego toksyczne właściwości. Inne dodatki do paliwa to plastyfikatory, związki zabezpieczające przed wilgocią, zwiazki stabilizujące przemiany fazowe azotanu amonu.
Paliwo zachowuje walory wysokoenergetyczne, impulsy jednostkowe uzyskiwane w silnikach przy dużych ciśnieniach osiągają 2000 [Ns/kg]. Paliwo charakteryzuje się niskim wykładnikiem n prawa spalania, jest trudnozapalne, na wolnym powietrzu płonie leniwie niewielkim płomieniem.
Głównymi wadami paliwa amonowego jest duża higroskopijność i niski ciężar właściwy.
Widełki składu procentowego:
60 – 80 % azotan amonu
10 – 20 % magnez
10 – 20 % poliuretan HTPB + MDI
1 - 2 % dwuchromian amonu
1 - 10 % inne dodatki: azotan potasu, DOA, sadza
Typowe paliwo Johna Wickmana to 60AN 20Mg 20HTPB. Mieszanina zawierająca 20% lepiszcza jest trudno prasowalna (spora płynność), przedstawiono więc test składu 67AN 20Mg 1,5CastorOil 1AD 0,5C 10HTPB+PAPI na zacisku początkowym Kn=310. Wystąpił niewielki nagar w przekroju krytycznym dyszy. Paliwa amonowe nie zawierające dodatków magnezu wymagają dwukrotnie większych zacisków pracy, spalają sie bez płomienia z minimalnym dymem a uzyskiwana prędkość spalania wynosi 2 [mm/s].
Obliczenia przykładowego składu w programie PROPEP:
CODE WEIGHT D-H DENS COMPOSITION
134 AMMONIUM NITRATE 75.000 -1090 0.06230 4H 2N 3O
605 MAGNESIUM (PURE) 12.000 0 0.06280 1MG
266 CASTOR OIL 1.000 -626 0.03460 62C 111H 9O
844 R45 8.700 40 0.03250 661C 999H 1N 9O
742 PAPI 1.800 -202 0.04480 224C 155H 27N 27O
125 AMMONIUM DICHROMATE 1.000 -1688 0.07760 8H 2N 7O 2CR
246 CARBON BLACK 0.500 0 0.06370 1C
THE PROPELLANT DENSITY IS 0.05706 LB/CU-IN OR 1.5795 GM/CC
THE TOTAL PROPELLANT WEIGHT IS 100.0000 GRAMS
NUMBER OF GRAM ATOMS OF EACH ELEMENT PRESENT IN INGREDIENTS
4.921355 H 0.845499 C 1.896055 N 2.869465 O
0.493421 MG 0.007933 CR
*****************CHAMBER RESULTS FOLLOW **************************
T(K) T(F) P(ATM) P(PSI) ENTHALPY ENTROPY CP/CV GAS RT/V
2506. 4051. 68.02 1000.00 -84.23 249.55 1.2013 4.259 15.972
SPECIFIC HEAT (MOLAR) OF GAS AND TOTAL= 10.243 10.625
NUMBER MOLS GAS AND CONDENSED= 4.2589 0.4953
1.37152 H2O 1.08301 H2 0.94784 N2 0.70108 CO
0.49143 MgO& 0.14433 CO2 0.00673 H 0.00383 Cr2O3&
1.81E-03 HO 1.35E-03 MgH2O2 3.78E-04 MgHO 2.28E-04 Mg
1.87E-04 NH3 1.14E-04 NO 1.04E-04 CrO 7.75E-05 Cr
4.20E-05 CrO2 1.90E-05 MgH 1.53E-05 CNH 1.04E-05 CHO
7.27E-06 O 7.21E-06 CH2O 3.83E-06 NH2 3.80E-06 O2
3.55E-06 MgO 2.76E-06 CNHO
THE MOLECULAR WEIGHT OF THE MIXTURE IS 21.034
********************EXHAUST RESULTS FOLLOW ************************
T(K) T(F) P(ATM) P(PSI) ENTHALPY ENTROPY CP/CV GAS RT/V
1213. 1725. 1.00 14.70 -148.22 249.55 1.2342 4.254 0.235
SPECIFIC HEAT (MOLAR) OF GAS AND TOTAL= 8.993 9.376
NUMBER MOLS GAS AND CONDENSED= 4.2541 0.4974
1.27599 H2 1.18454 H2O 0.94797 N2 0.51122 CO
0.49340 MgO& 0.33420 CO2 0.00394 Cr2O3& 0.00006 NH3 0.0000016 CH4
THE MOLECULAR WEIGHT OF THE MIXTURE IS 21.046
****PERFORMANCE: FROZEN ON FIRST LINE, SHIFTING ON SECOND LINE**********
IMPULSE IS EX T* P* C* ISP* OPT-EX D-ISP A*M EX-T
234.9 1.2178 2260. 38.16 4719.7 8.57 371.0 0.14672 1178.
236.0 1.2009 2278. 38.39 4764.2 183.9 8.69 372.7 0.14811 1213.
Według symulacji głównymi produktami spalania paliwa są kolejno: wodór, woda, azot, tlenek węgla, tlenek magnezu (w postaci stałej) oraz dwutlenek węgla, które nie stanowią zagrożenia dla środowiska naturalnego.
Uwzględniając reakcje zachodzące w rozbieżnej części dyszy (shifting), można uzyskać teoretycznie 236 s impulsu jednostkowego dla silnika z idealną dyszą LaVala (rozprężanie do 1atm) przy 68 atm ciśnienia w komorze spalania. Prędkość charakterystyczna paliwa C* wynosi wówczas 1563 m/s.
Technologia wykonania:
Cały proces należy prowadzić przy możliwie minimalnej wilgotności. Wilgoć może doprowadzić do reakcji z magnezu z azotanem i jego rozkład, któremu towarzyszy intensywne wydzielanie amoniaku. Saletrę amonową poddaje się suszeniu, następnie mieli się w młynku udarowym łącznie z katalizatorami tak, aby uzyskać rozdrobnienie < 36 mikrometrów sprawdzone sitem laboratoryjnym. Pył magnezowy należy poddać pasywacji aby utrudnić bezpośredni kontakt z ziarnami utleniacza. Zmielony utleniacz z katalizatorami należy wymieszać z magnezem w mieszalniku aż do uzyskania jednolitej szarej masy bez widocznych grudek i przebarwień pochodzących od składników.
W odpowiednim naczyniu należy zmieszać dwa składniki poliuretanu aż do uzyskania jednolitej konsystencji. Na gotowy poliuretan należy wsypać przygotowane w mieszalniku pozostałe składniki paliwa i rozprowadzać aż do idealnego przesycenia mieszanki.
Gotową mieszaninę należy uformować w bloki w odpowiedniej formie, korzystając z prasy hydraulicznej. Uformowane bloki należy pozostawić do sieciowania do następnego dnia w szczelnych pojemnikach chroniących przed wilgocią. Stwardniałe bloki paliwa należy poddać ważeniu oraz pomiarom gabarytów w celu określenia uzyskanej gęstości. Jeśli gęstość względna bloków przekracza 97% gęstości teoretycznej można uznać paliwo za udane. Do przechowywania bloki należy zabezpieczyć przed wilgocią.