Propulsante sólido compuesto que contiene nanopartículas de óxido de cobre (II).

La presente invención se refiere a un propulsante sólido compuesto de alta velocidad de combustión que emplea nanopartículas de óxido de cobre (II) como agente catalizador de la combustión, que logra unas velocidades de combustión muy superiores a aquellas formulaciones que llevan CuO micrométricos

Propulsante sólido compuesto que contiene nanopartículas de óxido de cobre (II).

Objeto de la invención

La presente invención se refiere a un propulsante sólido compuesto de alta velocidad de combustión que emplea nanopartículas de óxido de cobre (II) como agente catalizador de la combustión.

Antecedentes de la invención

En la actualidad una de las áreas de mayor investigación en el campo de la propulsión, y más concretamente en la tecnología de motores cohete, se centra en aquellos programas basados en el desarrollo de sistemas de bajo o reducido tiempo de actuación. Un ejemplo concreto se encuentra en el desarrollo de los misiles tierra-aire, donde la reducción del tiempo operacional de los mismos es un claro objetivo para garantizar el éxito de la misión. Estos sistemas lógicamente necesitan un propulsor de elevadas prestaciones, como son los propulsantes sólidos compuestos de alta velocidad de combustión.

En los motores cohete de propulsante sólido compuesto, la velocidad de combustión de sistema oxidante, generalmente perclorato amónico (PA), es habitualmente ajustada por la adición de pequeñas cantidades de modificadores balísticas de combustión. Los óxidos de metales dé transición y sus mezclas son los más efectivos y habitualmente utilizados en aplicaciones prácticas dentro de esta tecnología. El óxido de cobre (II), CuO, es uno de los más ampliamente utilizados, por sus adecuadas características relacionadas con su alta reproducibilidad y sus buenas propiedades catalíticas de la combustión de estos materiales energéticos.

Por otro lado, uno de los campos de aplicación de la nanotecnología y/o nanociencia es el área de los materiales energéticos, como por ejemplo los propulsantes. Si las actuales y habituales formulaciones de propulsantes sólidos compuestos incorporan diferente tipo de cargas sólidas, tales como, oxidantes, metales y aditivos en la escala micrométrica; las nuevas líneas de investigación señalan al empleo de estas cargas en una escala inferior, como el nanómetro. Concretamente, la utilización de catalizadores de la velocidad de combustión con tamaños de partícula nanométricos y, por lo tanto, con una mayor área superficial, conlleva un considerable aumento de las características balísticas de los mismos en comparación con aquellos propulsantes compuestos que incorporan catalizadores de velocidad de combustión convencionales (micras). Estos nanomateriales, o mejor dicho propulsantes nanoestructurados, superan ciertas limitaciones de combustión que manifiestan los propulsantes compuestos convencionales. Es importante indicar que estos últimos consiguen estas prestaciones gracias a un importante aumento del exponente de presión que rige su velocidad o ley de combustión. Esto provoca una disminución en cuanto a su estabilidad de combustión debido a su alta sensibilidad a variaciones de presión que pueden tener lugar durante el funcionamiento de un determinado motor cohete, las cuales pueden provocar catastróficos fallos de servicio en los mismos.

Descripción de la invención

Teniendo en cuenta lo anterior, la presente invención se refiere a un propulsante sólido compuesto de los que están basados en polibutadieno con grupos hidroxilos terminales (HTPB), del tipo PA/A1 (perclorato amónico/aluminio) y que emplea óxido de cobre (II) como agente catalizador, en el cual el óxido de Cu (II) está presente en forma de nanopartículas, en una cantidad de entre 2 y 3%, en peso, respecto del peso del propulsante.

Así, el uso de CuO-nanométrico en propulsantes sólidos compuestos basados en HTPB, del tipo PA/A1, que constituye la formulación objeto de la presente invención, produce un considerable alimento de la velocidad de combustión respecto al uso de CuO-micrométrico, sin perjuicio de otras características de combustión que se podían ver seriamente afectadas.

Es importante apuntar que el aumento del área superficial de un catalizador de combustión en este tipo de materiales en cuestión (los cuales son multicomponentes) puede llevar acompañado no sólo un aumento de la velocidad de combustión, sino otra serie de variaciones que no hagan su aplicación viable. Dentro de estas variaciones podemos encontrar un aumento de las inestabilidades de combustión o una baja procesabilidad en su preparación, por ejemplo.

Sin embargo, en la formulación que aquí se expone, el CuO-nanométrico utilizado no conlleva ninguna inestabilidad de combustión y sí un considerable aumento de la velocidad de combustión. Es decir, el lógico aumento en la velocidad de combustión esperado no va en detrimento de otros parámetros de combustión que se podrían ver afectados de una manera muy negativa y no hicieran viable su utilización.

Breve descripción de las figuras

Figura 1: Gráfica que muestra el comportamiento de la velocidad de combustión respecto de la presión de diferentes propulsantes.

Descripción de un modo de realización preferente

Las formulaciones de propulsante sólido compuesto, basados en polibutadieno con grupos hidroxilos terminales (HTPB) presentaron la siguiente composición: 83% de carga de sólidos y 17% de aglomerante polimérico. Dicha carga de sólidos está compuesta por un 66% de PA (oxidante, con dos tamaños medio de partícula, 200 y 6 μm), 15% de aluminio (Tipo III) y 2% de catalizador de la velocidad de combustión, oxido de cobre (II) (CuO-1, CuO-2 y CuO-nano) (todos los porcentajes en peso y lógicamente para una formulación de propulsante que incorpora un 2% de CuO).

A su vez, la composición del binder o aglomerante incorpora un 13.9% de HTPB (R-45M), 2.17% de plastificante (adipato de dioctilo) y 0.05% de antioxidante (Irganox 565).

La reacción de curado tiene lugar entre los grupos hidroxilo del prepolímero y los grupos isocianatos del agente curante, diisocianato de isoforona, IPDI (0.88%).

Se llevó a cabo un proceso de mezclado (secuencial en una mezcladora vertical IKA-HKV5 Planetron, a unos 60ºC), colado y curado (durante una semana a 60ºC) habitual en la preparación de este tipo de formulaciones de materiales energéticos.

Las características morfométricas de los distintos CuO empleados en estas formulaciones, todos ellos productos comerciales, fueron analizadas con las habituales técnicas de aplicación en el sector de la tecnología de partículas, miscroscopía electrónica de transmisión y de barrido, difracción de rayos-X, difracción de luz láser y medida de área superficial.

En la Tabla 1 se recogen algunas de sus características físicas, así como diferentes propiedades balísticas y térmicas de los correspondientes propulsantes obtenidos a partir de ellos.

Tras conocer estos datos acerca de los catalizadores de combustión a emplear, se prepararon los correspondientes propulsantes, incorporando éstos en la misma proporción y lógicamente manteniendo constante los demás componentes de la formulación (PA, aluminio y el sistema de matriz macromolecular basado en HTPB). El análisis de las características balísticas de las tres formulaciones estudiadas mediante medidas de velocidad de combustión obtenidas a partir de ensayos en bomba Crawford a distintas presiones, permitió demostrar que los propulsantes que incorporan nanopartículas de CuO, presentan velocidades de combustión muy superiores a aquellas formulaciones que llevan CuO micrométricos (véase figura 1). Además de velocidades de combustión más elevadas en todo el intervalo de presiones estudiado, estos propulsantes nanocatalizados se caracterizan por tener un menor exponente de presión, del orden de un 30%, que los propulsantes con CuO convencionales (Tabla 1). Este resultado les confiere una considerable mayor estabilidad de combustión, aumentando así los márgenes operacionales y de seguridad en sus distintas aplicaciones en el desarrollo de motores cohete.

Por otro lado, los datos obtenidos sobre la caracterización térmica de los mismos, se han realizado mediante análisis termogravimétrico y por calorimetría...

1. Propulsante sólido compuesto de alta velocidad de combustión que contiene óxido de cobre (II) como agente catalizador, de los que están basados en polibutadieno con grupos hidroxilos terminales, caracterizado porque el óxido de Cu (II) está presente en forma de nanopartículas, en una cantidad de entre 2 y 3% en peso.