МАЛОВЯЗКАЯ МАГНИТНАЯ ЖИДКОСТЬ, ПОЛУЧЕННАЯ КОЛЛОИДНОЙ ПОДВЕСКОЙ МАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ

Соломон Стивен Пайпелл

Штат Огайо, США.

Дата приоритета 9 октября 1963. Номер заявки 315 096.

Дата публикации 2 ноября 1965. Номер патента 3 215 572.

Данное изобретение относится, в основном, к жидкому топливу, а именно, к низкоплотному и маловязкому магнитному топливу, применяемому в условиях невесомости.

В связи с тем, что увеличивается активность человека в космосе и расширяются космические исследования, вопросы, связанные с поведением ракетного топлива, находящегося в баках космических аппаратов и подверженного воздействию невесомости, становятся все более и более важными. Вследствие уменьшения силы тяжести по мере удаления ракеты-носителя в космос, жидкая и парообразная фазы ракетного топлива свободно рассеиваются по всему объёму бака, создавая режим неуправляемости. Из-за этого возникает множество проблем. Например, необходимо учитывать влияние этого явления на эффективность продувки баков, при разработке конструкции входного отверстия топливного насоса с целью устранения кавитации и пульсаций, при разработке системы управления подачей жидкого топлива во входное отверстие насоса, для того чтобы обеспечить возможность повторного запуска ракетного двигателя. Жидкое ракетное топливо и пар могут быть, конечно, разделены и распределены посредством создания ускоряющих полей типа быстрого вращения бака или ускорения ракеты, но эти методы требуют относительно высоких энергетических затрат и сложных систем управления, поэтому они нежелательны, особенно, для больших транспортных средств. Более подходящим решением проблем, связанных с невесомостью, стало бы применение топлива, чувствительного к воздействию магнитных сил, обеспечивающих искусственно наложенную гравитацию.

Соответственно, целью данного изобретения является создание топлива, которое может удовлетворительно управляться и, следовательно, использоваться в невесомости.

Другой целью данного изобретения является получение топлива, на которое может быть наложена искусственная гравитация посредством намагничивания.

Ещё одной целью данного изобретения является обеспечение непрерывности топливного потока и лёгкости перекачивания в условиях невесомости.

Ещё одной целью данного изобретения является получение маловязкой магнитной жидкости, которая может использоваться как ракетное топливо.

Более полная оценка изобретения и многих сопутствующих ему преимуществ будет более понятна благодаря следующему детальному описанию, рассматриваемому совместно с прилагающимися рисунками: на РИС. 1 изображено распределение по размерам магнитных частиц, коллоидно взвешенных в ракетном топливе; на РИС. 2 - вертикальная проекция прибора, частично в сечении, в котором новое намагниченное топливо может управляться и, следовательно, эффективно использоваться.

Согласно данному изобретению поставленные цели были достигнуты с помощью нового намагниченного жидкостного топлива. Магнитные частицы распределены по всему объёму топлива и коллоидно взвешены в нём благодаря использованию частиц субмикронных размеров и вследствие того, что площадь поверхности каждой частицы по отношению к ее массе имеет значительную величину. Из-за малости частиц и большой площади поверхности частицы притягивают и удерживают молекулы топлива (дисперсионной среды) силами поверхностного натяжения и/или адсорбцией, обеспечивая таким образом устойчивость коллоидного раствора. Кроме того, из-за относительно малого содержания магнитного материала, топливо является главной составной частью коллоидного раствора, что обеспечивает малую вязкость, высокую текучесть и низкую диссипацию энергии из-за введения негорючих частиц.

При подготовке магнитного топлива для описанных целей могут использоваться различные тонкоизмельченные магнитные материалы типа никеля, кобальта, железа или различных железных окислов; однако наиболее подходящей для практического применения оказалась черная окись железа, магнетит (Fe₃O₄). Предпочтительная величина магнитных частиц должна быть менее 0,25 микрона в диаметре, чтобы обеспечить формирование истинного коллоида, но ещё лучше, если частицы будут иметь менее 0,10 микрона в диаметре.

Хотя получение частиц сверхмалых размеров возможно многими известными способами (например: вакуумным напылением, конденсацией и химическим осаждением или их комбинацией), на практике можно использовать механический размол в качестве простого и достаточно хорошего способа получения коллоидной суспензии магнитных частиц. Диспергирование выполняется размолом получаемого в промышленных масштабах тонкоизмельченного магнетита (с величиной частиц приблизительно 30 микрон) в шаровой мельнице в присутствии топлива и стабилизирующего состава, который предотвращает агломерацию или слияние малых частиц в процессе размола. Как правило, измельчаемая среда должна содержать 2…10 весовых процентов металлических частиц и процесс размола продолжается до тех пор, пока раствор коллоида не будет содержать 0,5…10 весовых процентов взвешенных магнитных частиц. Предложенный способ обеспечивает получение частиц подходящего размера, исключая их агломерацию, и, кроме того, полученный коллоид обладает достаточной намагниченностью для управления посредством магнитного поля и ещё не имеет слишком большой потери энергии из-за дополнительного веса магнитных частиц в горючем топливе. В идеале полученное посредством вышеупомянутого процесса магнитное коллоидное топливо включает 0,5 весовых процентов магнетита, оставшаяся часть топливного раствора в значительной мере состоит из горючего топлива с очень незначительным количеством (менее 1 весового процента) стабилизирующего состава.

Следующие примеры более детально описывают получение нового магнитного топлива в соответствии с изобретением. Оба коллоида были получены в одном и том же аппарате, использующем следующую общую процедуру: пастообразную смесь, включающую топливо, избыток измельченного Fe₃O₄ и стабилизирующего состава, размалывали в шаровой мельнице из нержавеющей стали объёмом в кварту. В мельницу загружали 3000 граммов шариков из нержавеющей стали диаметром 0,5 дюйма и вращали со скоростью 48 об/мин в течение нескольких дней, как указано ниже, после чего образовавшийся коллоидный раствор сливали, добавляли дополнительные порции топлива и стабилизатора и продолжали размол. Дополнительное введение топлива и стабилизатора производилось для того, чтобы получить большее количество коллоида, и до тех пор, пока размеры дисперсных магнитных частиц, остающихся в мельнице в пастообразном виде, не уменьшались бы настолько, что дальнейший процесс размола был бы больше неэффективен.

Пример 1

В этом примере был получен магнитный коллоидный раствор гептана, олеиновой кислоты и дисперсного магнетита.

В шаровую мельницу первоначально поместили 300 мл нормального гептана, 30 г олеиновой кислоты и 200 г магнетита. Когда после 19 дней тонкого измельчения паста была готова, 200 мл коллоидного раствора слили. Затем дополнительно ввели приблизительно 200 мл топлива и стабилизатора в той же самой пропорции, что и приведена выше (10 мл гептана к 1 г олеиновой кислоты) и продолжили размол в течение 6 дней, после чего удалили следующие 200 мл коллоида, добавили дополнительные порции гептана и олеиновой кислоты и продолжили размол.

Полученный коллоид оказался темно-коричневого цвета с гранулометрическим составом приблизительно от 0,06 до 0,24 микрона (см. РИС. 1), большинство частиц имеет размер 0,10…0,20 микрона при среднем размере приблизительно 0,135 микрона. Столь малая величина частиц обеспечивает получение истинного коллоида в том случае, если количество дисперсного магнетита ограничено максимумом приблизительно 10% от веса раствора. Коллоидный раствор имеет плотность, лишь ненамного превосходящую плотность гептана (0,684 г/мл) и, фактически, ту же самую вязкость, что и гептан, вследствие этого обеспечивается низкая величина диссипативных потерь энергии (например, при перекачке насосом).

Пример 2

В этом примере был получен коллоидный раствор JP₄ (общее топливо для ракетного и турбореактивного двигателя), олеиновой кислоты и дисперсного магнетита.

Первоначально в шаровую мельницу поместили 300 мл JP₄, 30 г олеиновой кислоты и 200 г магнетита; процесс размола и удаление полученного коллоидного раствора производились так же, как описано в предыдущем примере.

Когда после начального периода размола 15 дней паста была готова, 180 мл коллоидного раствора слили. Затем дополнительно ввели приблизительно 180 мл JP₄ и олеиновой кислоты (10 мл JP₄ на 1 г олеиновой кислоты) и продолжили размол непрерывно в течение 6 дней. Магнитное топливо снова было удалено, и процесс повторился. Снова коллоид оказался темно-коричневого цвета с плотностью и вязкостью, близкими по величине к аналогичным параметрам жидкого носителя частиц, JP₄.

Каждый из коллоидных растворов (Примеры 1 и 2) проявил сильные магнитные свойства и легко управлялся наложением магнитного поля. Кроме того, образцы магнитного топлива, полученные при разбавлении этих коллоидных растворов, соответственно, гептаном и JP₄, проявляли сильные магнитные свойства до тех пор, пока содержание дисперсного магнетита в них не уменьшилось до 0,5 %. Таким образом было получено искомое магнитное топливо с низкой величиной диссипативных потерь и минимальным содержанием олеиновой кислоты, то есть приблизительно 0,24 % олеиновой кислоты от веса гептана или JP₄ в разбавленном растворе. Содержание олеиновой кислоты может быть в дальнейшем уменьшено путём применения минимум 2 % олеиновой кислоты в качестве стабилизирующего компонента смеси, которой заполняют шаровую мельницу. Это значительно увеличивает требуемое время размола (приблизительно вдвое), но таким способом можно получить истинный коллоидный раствор с гранулометрическим составом, подобным показанному на РИС. 1.

Очевидно, что более высокое процентное содержание олеиновой кислоты также можно применять для того, чтобы уменьшить время размола, причём столь же успешно, как и применённое на практике 10 % содержание олеиновой кислоты. Кроме того, другие стабилизирующие составы типа стеариновой кислоты и cetyl спирта могут использоваться для получения магнитного топлива, как и другие длинноцепочечные углеводороды, имеющие высокий коэффициент поверхностного натяжения, такие как бензол, этан, гидразин, бензин, могут использоваться как носитель частиц и главная составная часть магнитного топлива.

На РИС. 2 показан аппарат, который может практически использовать новое магнитное топливо. Топливо находится в баке 10, к которому примыкает нагнетательный трубопровод 12, на котором расположены источник магнитного поля типа постоянного магнита 14 и насос 16. В условиях невесомости постоянный магнит 14 ориентирует и притягивает коллоидно взвешенные намагниченные частицы к нагнетательному трубопроводу 12. Углеводородные топливные молекулы (например, молекулы гептана), которые удерживаются этими частицами посредством сил поверхностного натяжения и/или адсорбцией, двигаются вместе с намагниченными частицами и вытесняют любой топливный пар из этой области; насос 16 приводится в действие, намагниченное топливо прокачивается через нагнетательный трубопровод 12 и воспламеняется в сопле 18.

Очевидно, что возможны многие модификации и вариации данного изобретения в свете вышеупомянутого описания. Следовательно, должно быть понятно, что в пределах области действия формулы изобретения, оно может быть осуществлено иным образом, чем здесь описано.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Жидкое ракетное топливо для использования в условиях невесомости, содержащее коллоидный раствор топлива и намагниченных частиц размером менее 0,25 микрона в диаметре, посредством чего данное топливо может управляться и притягиваться наложением магнитного поля.

2. Намагничивающаяся жидкость для использования в качестве ракетного топлива, которая содержит коллоидно взвешенные в жидком топливе дисперсные железные частицы размером менее 0,25 микрона и со средней величиной частиц между 0,10 и 0,20 микрона, причём содержание железных частиц составляет 0,5…10 % от веса жидкостного топлива.

3. Намагничивающаяся жидкость по п. 2, отличающаяся тем, что жидкостное топливо - длинноцепочечное углеводородное топливо.

4. Топливная жидкость для использования в ракетном двигателе, содержащая длинноцепочечное углеводородное топливо и коллоидно взвешенные в нём намагничивающиеся частицы, причём намагничивающиеся частицы имеют размеры менее 0,25 микрона в диаметре, а их содержание составляет 0,5…10 % от веса топлива.

5. Намагничивающаяся жидкость для использования в качестве ракетного топлива, которая содержит коллоидно взвешенные в растворе длинноцепочечного углеводородного топлива и олеиновой кислоты дисперсные субмикронные частицы магнетита размером между 0,06 и 0,24 микрона со средней величиной частиц приблизительно 0,135 микрона, причём содержание частиц магнетита составляет 0,5…10 % от веса раствора, а содержание олеиновой кислоты составляет 0,1…10 % от веса топлива.

6. Намагничивающаяся жидкость по п. 5, отличающаяся тем, что размер частиц магнетита находится в диапазоне от 0,050 микрона до 0,24 микрона.

7. Намагничивающаяся жидкость по п. 6, отличающаяся тем, что топливо - нормальный гептан.

8. Намагничивающаяся жидкость для использования в качестве ракетного топлива, содержащая коллоидно взвешенные в жидкостном топливе намагничивающиеся частицы размером менее 0,25 микрона, причём содержание намагничивающихся частиц составляет менее 10% от веса жидкостного топлива.

9. Намагничивающаяся жидкость по п. 8, отличающаяся тем, что жидкостное топливо - длинноцепочечный углеводород.

10. Намагничивающаяся жидкость по п. 9, отличающаяся тем, что жидкостное топливо - гептан.

11. В жидкости, предназначенной для использования в качестве ракетного топлива, содержится множество коллоидно взвешенных частиц магнитного материала размером менее 0,25 микрона, посредством чего жидкость может управляться и притягиваться наложением магнитного поля.

.

Рисунок 1.	Рисунок 2