Ученые из Института химической кинетики и горения СО РАН, Новосибирского государственного технического университета и Института гидродинамики СО РАН имени М. А. Лаврентьева нашли способ улучшить горение твердого ракетного топлива, уменьшив образование крупных агломератов алюминия – комков расплавленного металла, которые образуются при горении и снижают эффективность двигателя. Для этого они предложили добавлять диоксид титана – TiO₂.
Алюминий используют в твердом ракетном топливе, поскольку он увеличивает плотность и удельный импульс, то есть делает двигатели экономичнее и мощнее. Но и у него есть свой недостаток: в процессе горения частицы металла слипаются друг с другом, образуя крупные агломераты. Эти комки не успевают полностью сгореть, вылетают из сопла, вызывают эрозию, загрязняют окружающую среду и снижают отдачу от топлива.
Ученые давно ищут способы подавить агломерацию, но универсального решения пока нет. Один из перспективных путей – добавление в состав топлива специальных веществ-модификаторов, которые меняют процесс горения и делают его более полным и контролируемым.
Российские исследователи решили сосредоточиться на диоксиде титана. Этот материал широко известен своими каталитическими свойствами и применяется, например, в системах очистки воздуха и воды. Однако в ракетных топливах его изучали относительно мало и в основном с точки зрения влияния на скорость горения. Ученые проверили, может ли он также влиять на образование агломератов алюминия. Для этого они взяли четыре типа порошка: три коммерческих образца от разных производителей и один – синтезированный самостоятельно в специально созданной лабораторной установке. Установка представляла собой вертикальную стеклянную трубу, в которой сжигались частицы титана, а образующийся дым оседал на стенках. Так получали диоксид титана с определенным соотношением кристаллических фаз (рутила и анатаза).
Эксперименты проводили на модельном пастообразном топливе, состоящем из перхлората аммония, алюминиевого порошка и активного связующего. Образцы сжигали в двух режимах: в камере высокого давления в азоте при давлении около 0,35 мегапаскаля и на воздухе при атмосферном давлении. Процесс горения записывали на видео, а твердые продукты сгорания собирали и затем исследовали под микроскопом. Ученые анализировали форму, размер и массу частиц, уделяя особое внимание частицам крупнее 80 микрометров – именно их считают основными агломератами.
Результаты показали, что добавление диоксида титана действительно влияет на агломерацию алюминия. Почти все варианты TiO₂ уменьшали массу крупных агломератов по сравнению с топливом без добавок. При этом скорость горения топлива в большинстве экспериментов практически не менялась. Особенно заметный эффект показал один из коммерческих порошков с очень мелкими частицами – менее 25 нанометров. С ним масса агломератов уменьшалась почти на 60%.
Микроскопический анализ показал, что продукты горения представляют собой сложную смесь частиц. Среди них встречаются серебристые металлические шарики, напоминающие исходный алюминий, матовые светлые частицы и характерные крупные агломераты, похожие на небольшие «желуди», где расплавленный металл частично покрыт оксидной оболочкой. Соотношение этих типов частиц заметно менялось в зависимости от того, какой именно диоксид титана добавляли в топливо. Это означает, что добавка действительно влияет на процессы, происходящие на поверхности горящего топлива.
Исследователи подчеркивают, что полученные результаты пока являются предварительными. Необходимо выяснить, почему разные формы диоксида титана работают по-разному, как они взаимодействуют с другими компонентами топлива и как ведут себя при более высоких давлениях, характерных для реальных ракетных двигателей. Тем не менее уже сейчас ясно, что диоксид титана может стать полезным инструментом для управления процессом горения алюминизированного топлива.
