На основании анализа проведенного эксперимента и практических данных предложены оптимальные вариации состава карамельного топлива на основе сорбита с содержанием дисперсной серы. Показано влияние процентного содержания серы на структуру и энергетические характеристики топлива, а также дана оценка эффективности и целесообразности использования сорбитового карамельного топлива с рассмотренными составами в любительском ракетостроении.
Ключевые слова: карамельное топливо, сорбитовое топливо, ракетное топливо, ракетостроение, калиевая селитра, сера.
В настоящее время продолжается поиск способов улучшения экологических характеристик топлива. Многие компоненты наиболее часто использующегося ракетного топлива токсичны (гептил и его производные, азотный тетраоксид), и выброс в атмосферу отработавших газов ведет к отрицательным воздействиям на людей и окружающую среду.
Ввиду доступности компонентов и простоты изготовления альтернативой для любительского ракетостроения и некоторых частных компаний космической отрасли стало карамельное топливо на основе сорбита или сахарозы (англоязычный термин — «rocket candy»). Выброс вредных веществ сведен к минимуму, поскольку прокаливание калиевой селитры и сорбита (сахарозы) не ведет к образованию токсических газов. Вследствие этого топливо имеет хорошую экологичность. Теоретическое уравнение горения карамельного топлива имеет вид:
Калиевая селитра, использующаяся в данном эксперименте, известна своим применением в получении черного (дымного) пороха, компонентный состав которого 75 % калийной селитры, 15 % древесного угля и 15 % черенковой серы. В горючих составах схожего типа используется одно из немаловажных свойств калиевой селитры — выделение кислорода при сильном калении:
(t = 400–520°C).
Это и дает возможность смесям на ее основе гореть в безвоздушном пространстве. Так, сера в составе топлива служит только для воспламенения и поддержки горения состава, участвуя в реакции в качестве катализатора.
Конечно, энергетические характеристики карамельного топлива не сравнимы с твердыми ракетными топливами промышленного производства. Теоретический удельный импульс карамельного топлива на нитрате калия составляет 153 кгс×с/кг, а практически достижимый не превышает 125 кгс×с/кг, в то время как для смеси перхлората аммония с алюминием и каучуками, использующейся в современных твердотопливных двигателях, удельный импульс может достигать 250–280 кгс×с/кг. Также ограничивает использование карамельного ракетного топлива его значительная гигроскопичность.
Однако это не означает, что удельный импульс карамельного топлива нельзя повысить. В ходе эксперимента была измерена скорость горения пяти образцов карамельного топлива на основе сорбита с разным процентным содержанием серы.
Таблица 1
Состав исследуемых образцов сорбитного карамельного топлива
|
№образца |
Содержание компонентов,% |
|||
|
Калиевая селитра, |
Сорбит |
Оксид железа (III), |
Сера (дисперсная), |
|
|
Образец № 1 |
65 |
34 |
1 |
0 |
|
Образец № 2 |
65 |
31 |
1 |
3 |
|
Образец № 3 |
65 |
29 |
1 |
5 |
|
Образец № 4 |
65 |
27 |
1 |
7 |
|
Образец № 5 |
65 |
24 |
1 |
10 |
Так как калиевая селитра является основой, уменьшение ее количественного содержания в смеси нежелательно. Топливо было получено методом упаривания. Оксид железа (III) 
используется в качестве катализатора. Стоит отметить, что топливную смесь следует нагревать выше температуры плавления серы (
) на 20–40
для достижения надлежащей однородности.
Образцы по мере уменьшения процентного содержания сорбита и увеличения процентного содержания серы изменяли свою структуру: так образец № 1 имел консистенцию вязкого пластилина, а образец № 5 уже обладал предрасположенностью к крошению, что потребовало дополнительной прессовки смеси для образования топливной шашки. Подобный переход связан с уменьшением связующего вещества — сорбита.
Скорость горения ожидаемо увеличивалась при переходе от образца № 1 к образцу № 5.
Таблица 2
Скорость горения исследуемых образцов
|
№образца
массой |
Скорость горения,
|
|
Образец № 1 |
2,7 |
|
Образец № 2 |
3,0 |
|
Образец № 3 |
3,2 |
|
Образец № 4 |
4,1 |
|
Образец № 5 |
5,3 |
(мм/с)
Образец № 1 при горении дал столб плотного белого дыма — это высокодисперсные частички углекислого калия 
.
Образец № 2 по структуре напоминает образец № 1, при горении дал столб белого дыма с искрами, после осталось небольшое количество пористого шлака.
Образец № 3 имеет менее пластичную структуру, чем два первых образца, дал столб белого дыма с факелом рыжего оттенка. Стоит отметить крайне интенсивное горение, после также осталось небольшое количество шлака.
Образец № 4 показал результат, аналогичный образцу № 3, с большей скоростью горения.
Образец № 5 имел наименее пластичную структуру среди всех образцов, обладает склонностью к крошению, при горении дал столб белого дыма с явно выраженным рыжим факелом и обилием искр.
Из результатов эксперимента, очевидно, что сера, как катализатор, ускоряет горение топлива. Однако, несмотря на, казалось бы, хороший результат, увеличение скорости горения топлива не всегда выгодно для небольших ракет: топливо может сгореть слишком быстро, воспрепятствовав набору нужной высоты. Также при сгорании серы, содержащейся в топливной смеси, образуется диоксид серы, относящийся к III классу токсичности. Поэтому стоит ограничивать содержание серы в сжигаемом топливе.
В результате наиболее оптимальными в практическом применении составами, содержащими серу, обладают образец № 3 и образец № 4. Они показывают более высокую скорость горения, чем у образца № 1 без содержания серы, а также имеют удобную для образования шашек консистенцию, в отличие от образца № 5.
Литература:
1. Веннен Л., Бюрло Э., Лекорше А. Пороха и взрывчатые вещества. / Под редакцией Сапожникова А. В., 1936. — 639 с.
2. Жаворонков Н. М. и др. Справочник азотчика. 2-е изд. перераб. — М.: Химия, 1987. — 464 с.
