< Serge77 - Моя ракетная мастерская >

НАТРИЕВАЯ КАРАМЕЛЬ

Насколько мне известно, никто до сих пор серьёзно не занимался изучением применимости NaNO3 для карамельного топлива (прошу меня поправить, если у кого-то есть данные). Единственное испытание двигателя на натриевой карамели было произведено совсем недавно (Jimmy Yawn, январь 2004 г, УЧТИТЕ, ЧТО ТАМ ВСЕ ГРАДУСЫ В ФАРЕНГЕЙТАХ, А НЕ В ЦЕЛЬСИЯХ !!!).

Между тем такая карамель имеет теоретический максимальный удельный импульс 170 единиц, а карамель на KNO3 - 156 (стандартная смесь 65-35 ещё меньше - 153). Эти цифры несколько завышены, но разница существенная и есть смысл попробовать реализовать это преимущество. Дополнительным преимуществом NaNO3 является его большая, по сравнению с КNO3, растворимость в спиртах, благодаря чему можно было ожидать частичного или полного растворения NaNO3 в расплавленном сорбите или сахаре, что дало бы легко льющийся расплав.

Первые опыты (март 2002).

1. Сахар-NaNO3 1:2

Смесь компонентов растворял в небольшом количестве воды при нагревании, потом упаривал на песчаной бане при температуре около дна стакана 170С, постоянно перемешивал. Вода выкипала, постепенно выпадали мелкие кристаллы NaNO3, смесь стала густой кашей, начала желтеть, потом коричневеть, но перемешивалась довольно легко. Упаривал до тех пор, пока проба смеси при охлаждении становилась твёрдой и кусочек ломался при изгибе с характерным щелчком. После этого скатывал в колбаску. Получается довольно прочный заряд, на сколе видно, что кристаллы NaNO3 очень мелкие и однородные. По сравнению с такой же процедурой для KNO3 на стадии каши перемешивать гораздо легче, всё-таки смесь получается пожиже. Но вообще мне не очень понравилось, сахар довольно быстро разлагается, нужно точно уловить стадию готовности и не передержать, иначе получается менее прочное и хуже горящее топливо.
Позже я обнаружил, что если вместо нашего слегка желтоватого сахара использовать немецкий по-настоящему белый рафинад (специально купил), то упаривается практически без разложения, можно получить белую или слегка жёлтую карамель. Проверил, в топливе остаётся около 0.5% воды. Получается вязкая, но довольно легко перемешиваемая масса, не льётся, но легко упаковывается в трубку по частям при лёгкой трамбовке деревянной палочкой. Ещё позже я попробовал упаривать при температуре смеси не выше 130С, это дольше, но разложения сахара вообще не происходит, работать гораздо удобнее, можно сильно не торопиться.
Состав горит на воздухе с ярким жёлтым пламенем, но медленно, при этом частично оплавляется и течёт.

2. Сорбит-NaNO3 1:2

Сплавлял компоненты без воды, надеялся добиться полного растворения, но даже при 180С этого не произошло, хотя было явно видно, что много нитрата растворилось. Смесь очень жидкая, правда я совсем не размалывал нитрат, с измельчённым будет гуще, но наверняка будет литься. Из-за того, что кристаллы были крупные, они осели на дно и при застывании получился неоднородный заряд. Верхняя часть, где не было кристаллов, не горит. Нижнюю не поджигал.
Изучил растворимость NaNO3 в сорбите. Смесь 10 г сорбита и 3 г NaNO3 становится прозрачным раствором при 165С. При охлаждении раствор мутнеет при 75С, а при 60С становится очень вязким. Смесь 10 г сорбита и 4 г NaNO3 становится прозрачным раствором при 190С. При охлаждении до 120С начинается выпадение кристаллов, а при 60С масса становится очень вязкой. Полученную массу оставил на воздухе для проверки на гигроскопичность. На следующий день на поверхности образовалась твёрдая корочка, под ней мягкая масса. В течение следующего месяца картина почти не изменилась, корочка стала немного толще, вся масса не затвердела. Как показали дальнейшие опыты, составы, содержащие сорбит и NaNO3, негигроскопичны, но не затвердевают, если из них удалить всю воду сильным нагреванием. Если состав сделан упариванием или плавлением при температуре ниже 140С, то он хорошо затвердевает.

3. Сахар-NaNO3-KNO3 1:1:1

Нитраты калия и натрия образуют эвтектику - смесь 1:1 плавится при 220С, в то время как чистые соли при 336 и 307 соответственно. Я надеялся, что такая смесь будет растворяться в сахарах ещё лучше, чем чистый NaNO3.
Оказалось, что при выпаривании раствора никакие кристаллы не выпадают, вода выкипает практически вся, остаётся подвижная жидкость, я выдерживал её до начала потемнения, охлаждал и взвешивал, чтобы определить количество остаточной воды. Оказалось, что остаётся довольно много (3-5%), причём каждый раз по-разному, а лучше упарить не получается, потому что сахар сильно разлагается. Застывшее топливо не совсем твёрдое, при большом усилии сгибается. Скорость горения получается тоже сильно разная: от 0.44 до 0.60 мм/сек. В общем, если придумать, как полностью упарить (например в вакууме), то может получиться очень простая процедура изготовления сахарной карамели.

4. Сорбит-NaNO3-KNO3 1:1:1

А вот здесь получилось кое-что интересное. При нагревании до 180С всё растворилось, получился гомогенный прозрачный слегка желтоватый раствор, жидкий, легко залился в трубку 17мм, через сутки покрылся твёрдой коркой, внутри не совсем твёрдый, за трое суток на воздухе не натянул влаги. Горит хорошо, скорость 1 мм/сек. В дальнейшем из этого получилась Жидкая Карамель.

5. Испытания на воспроизводимость и влияние зачернителя.

Методом упаривания водного раствора на солевой бане при постоянном перемешивании сделаны несколько образцов топлива, все по 15г, упакованы в бумажные трубки d 17мм. Соотношение сахар-NaNO3 1:2.

Образцы:
1,2,3: 3 штуки без добавок, цвет от белого до светло-жёлтого,
4: с добавкой 1% активированного угля,
5: с добавкой 1мл чёрной туши,
6: с добавкой 0.1мл чёрной туши (получился такой же чёрный, как и 5),
7: для сравнения сделал образец сахар-КNO3 1:2, получился практически белый.

Результаты:
образцы 1-4 сгорели одинаково, влияние угля не заметно, скорость 0.66 мм/сек
образец 5 горит плохо, до конца не догорел, погас
образец 6 горит медленнее, чем 1-4, скорость 0.5 мм/сек
Реальная скорость горения ниже измеренной, потому что часть оплавленного топлива утекала с горящей поверхности.

образец 7 горит очень быстро, 3.5 мм/сек, учитывая точность измерения времени это практически равно скорости горения у Р.Накки 4 мм/сек. Это было моё первое испытание сахарной карамели на KNO3. Впечатляет, теперь понимаю, почему её так любят.

Выводы:
1. метод упаривания даёт прекрасные воспроизводимые результаты, в том числе для сахарной карамели на KNO3. Насколько я знаю, впервые получены практически белые образцы сахарной карамели.
2. карамель сахар-NaNO3 горит в 6 раз медленнее, чем сахар-КNO3. Это маловато, но не смертельно, наверное можно повысить скорость горения катализаторами.
3. зачерняющие добавки не привели к увеличению скорости горения, во всяком случае на открытом воздухе.

Поиски катализатора (сентябрь 2003 г)

Все составы делались методом упаривания, использовались катализаторы FeOOH - желтая окись железа (пигмент) и C - медицинский активированный уголь. Везде соотношение NaNO3-сахар(сорбит) 2:1.

Составы на сахаре затвердевают сразу после остывания, а сорбитовый только на третий день стал почти твёрдый, полностью затвердел за 4 дня. Топлива не гигроскопичны.

Образцы всех топлив размером около 5х20 мм без оболочки активно загораются, но гаснут при удалении источника огня. Завёрнутые в бумагу горят стабильно. Все горят с ярким жёлтым пламенем! ;^)) И дым тоже есть.

Последний состав горит, оставляя большое количество шлака, в котором видно много несгоревшего угля. Возможно, что при сгорании в двигателе этот шлак будет давать искровой выхлоп. Но с точки зрения эффективности сгорания больше 2% угля добавлять не нужно, оптимальный состав 1% FeOOH + 2% C.

Испытания в тестовом двигателе (март 2004 г).

Сделал две шашки методом упаривания, состав одной NaNO3-сахар-FeOOH-C 65-32-1-2, вторая такая же, но с добавкой 1% NaCl, надеялся, что это может прибавить жёлтого пламени. Упаковал в пресс-форме в бронировке из трубы ПВХ:

Образец топлива на воздухе горел с ярким жёлтым пламенем:

Для сравнения - так горит стандартная карамель KNO3-сорбит:

Разве можно было поверить, что двигатель не даст пламени?! Однако практически ничего, кроме дыма, не было, лишь небольшой жёлтый язычок возле сопла. Шашка с добавкой NaCl сгорела так же.

Видео, DIVX 5.1.1, 1.6 МВ.

Система воспламенения такая же, как в двигателе SFM2, выход на режим моментальный, горение ровное. Интересно отметить яркий язык пламени сразу после окончания работы двигателя, это в точности повторилось на двух испытанных шашках. Шлака в двигателе не оставалось.

Данные испытания:

Шашка: наружный диаметр по топливу 37 мм, длина 58 мм, канал 14 мм, масса 105.17 г, плотность 1.968.
Двигатель с одной шашкой: сопло 4 мм, Kn начальный 350, Kn максимальный 388.
Время горения 2.50 с, скорость горения 4.60 мм/с.
Примерное давление в двигателе 30 атм (по очень грубым прикидкам).

Судя по всему, получены обнадёживающие результаты, из этого может выйти хорошее топливо для относительно долгогорящих двигателей. Нужно испытывать на стенде.

10.04.2004 Serge77