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'"Procédé d fabrication de carburants à h-ute'6nergie."
La présente invention concerne un procédé pour la fabrication de carburants à haute énergie consistant en dis- persions de substances métalliques dans des hydrocarbures liqui- des. Plus spécifiquement, cette invention concerne un procédé pour fabriquer des carburants à haute énergie en pulvérisant, par des décharges disruptives, des métaux tels que le lithium, le béryllium, le carbone, le soaium, le magnésium, l'aluminium et le silicium et en dispersant.uniformément les particules métalliques résultantes dans des hyàrocarbures combustibles.
Les carburants traditionnels pour les avions à réaction et les fusées se présentent sous la forme ae plates fluides consistant en suspensions de métaux finement divisés, tels qu'un alliage de magnésium et des composés intermétalliques, dans des hydrocarbures liquides tels que le benzène, le toluène, les fractions légères du pétrole telles que l'essence, le kéro- zène, les carburants pour moteurs diesel ou les huiles combusti- bles utilisés pour les avions à réaction. Ces carburants à haute énergie, sous forme de pâte fluide, ont récemment, attiré
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l'attention en raison de leur pouvoir calorifique élevé et de leur haute poussée spécifique (l'expression "poussée spécifi- que" signifie la poussée par unités de poids d'un propulseur brûlées par seconde).
Plus récemment, divers métaux légers
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ayant 1(S ,tomiquts peu élèves la Lai;l éàu périodique d. Ùl;1±,41.L5 oui cté i:tiÀi::.bi prlc c':3.:-.ë '.:.'.'..it.\:'.
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1,<= 1.10ur3 ijll s.l:n .T1:> '. t,:.'vi.Cil .c;.L celles obtenues lorsqu'on emploie ad 1'ixy¯=éi;< t, (n raison de la c.if- férence de densité de ces éléments, il existe une différence substantielle entre le pouvoir calorifique par unité de poids et le pouvoir calorifique par unité de volume. Comme les quan- tités d'oxygène requises pour une oxydation complète varient d'un élément à l'autre, le tableau ci-dessus montre le pouvoir calorifique par unité de poids représentant la somme du poids du carburant et du poids de l'oxygène nécessaire. En certaines circonstances, quand il est impossible d'utiliser l'oxygène de l'atmosphère, aucune autre comparaison n'a de sens.
Dans le tableau ci-dessus JP est le carburant type à base de pétrole pour avions à réaction. On verra d'après les
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valeurs indiquées da-.s le tableau que les 16ents métalliques qui peuvent effectivement stutiliser comme carburants propulseurs appartiennent au groupe supérieur gauche àu tableau périodique (les éléments.
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Cn toutefois que ces métailx r,3=éissdnl
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Zn plus .:05 couÜticn5 ci.-uessus, il est E.se!1tiel eue les 2t-<>UX oient ü? ;jâ SE'S unifcr"é:er.t t?2'. que les disper- sions résultantes résistent nu viillis5ffient. A côté de la technique ci-dessus, on àécrira certains des procédés classiques pour pulvériser des métaux et les disperser dans des carburants.
On peut mentionner en premier lieu un procédé consistant à fon- dre un métal et à pulvériser la Tasse fondue sous pression dans une atmosphère gazeuse inerte. Ce procédé est désavantageux en ce sens qu'il est difficile d'obtenir des métaux d'une dimen- sion inférieure à 5 microns. Un autre procéàé connu consiste à condenser une vapeur de {Létal en une poudre dans laquelle 50 % environ des particules ont un diamètre inférieur à 1,5 micron, à laver et à emprisonner directement les particules dans un hydrocarbure combustible. Dans ce procédé, comme les métaux
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sont évaporés par chauffage sous pression réduite, l'équipement pose toujours un problème.
En ce qui concerne le mode opéra- toire et l'équipement, on se heurte à des difficultés spéciales lorsqu'il s'agit de travailler des métaux dégageant des vapeurs toxiques ou des métaux ne s'évaporant qu'à des températures éle- vées (Si - 2300 C; Li - 1370' C; Be - 2770 C; Mg - 1100 C et Al - 20600 C).
Dans une variante du procédé, on réduit un oxyde métallique avec du magnésium à haute température et on mélanga le métal réduit à un hydrocarbure combustible de manière à ne pas l'oxyder. Cette technique donne une poudre dont la dimen- sion des grains va de 1 à 2 microns au moment de la réduction mais comme toute poudre finement divisée, elle est susceptible de s'agglomérer à haute température et si ceci se produit, on doit à nouveau désintégrer le gâteau. Ces poudres préparées par les techniques habituelles sont incorporées à des hydrocarbures combustibles liquides dans des proportions allant de 50 à 60 % en poids et afin d'améliorer la dispersion aussi bien que la flui- dité des poudres, on emploie des agents tensio-actifs ainsi que d'autres additifs.
Ainsi donc, dans la technique traditionnelle, des poudres métalliques sont préparées séparément (y compris le cas dans lequel un métal est désintégré sous forme d'un mélange avec un hydrocarbure liquide), puis la poudre résultante est dispersée uniformément dans un hyàrocarbure combustible liquide.
En d'autres mots, les techniques conventionnelles exigent inva- riablement deux stades opératoires au moins. De plus, dans ces techniques connues, il est difficile d'obtenir une poudre métal- lique fine, dont la dimension des grains est inférieure à un micron, d'une manière efficace et rentable.
Le procédé de la présente invention représente un nouveau pas en avant par rapport aux inventions concernant la production de poudres de finesse microscopique de métaux et
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d'alliages électro-conducteurs, dont la dimension moyenne des grains est inférieure à un micron, dans un diélectrique liquide.
Dans la présente invention, des métaux sont désintégrés dans des hydrocarbures combustibles liquides sans les exposer à l'at- mosphère et pendant que ces métaux sont finement divisés, ils sont dispersés simultanément dans des hydrocarbures combustibles.
La présente invention concerne donc un procédé pour la production de carburants à haute énergie contenant des métaux, consistant à disposer des paires d'électrodes dans un hy- drocarbure combustible liquide qui est un constituant du car- burant à haute énergie désiré, à placer des boulets métalliques qui sont d'autres composants de ce carburant à haute énergie, dans l'hydrocarbure combustible liquide ci-dessus et à appli- quer une tension de décharge disruptive entre les électrodes de manière à provoquer une série intermittente de décharges disruptives dans les interstices existant entre les boulets de métal grossiers dans l'hydrocarbure combustible, l'énergie d'impact résultante servant à racler de fines particules métal- liques de la surface des boulets et à disperser simultanément et uniformément les particules dans le milieu.
La figure 1 est un exemple de l'équipement em- ployé dans le procédé de cette invention; la figure 2 est'ùn graphique montrant la relation entre la période de stabilité et le rapport de précipitation pour un carburantàhaute énergiP et à poussée spécifique élevée obtenu par le procédé de l'invention.
La figure 3 est un graphique montrant les relations entre la teneur en métal dispersé et la viscosité du carburant préparé à partir de kérozène comme hydrocarbure et d'aluminium comme métal en suspension ; figure 4 est un graphique indiquant les relations entre la teneur en métal dispersé et le poids spécifique ou la température d'inflammation du carburant mention- né ci-dessus.
On décrira maintenant l'invention de façon plus détaillée. Un récepteur dans lequel sont installées des/paires
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d'électrodes est rempli d'un milieu réactionnel tel qu'un hydro- carbure liquide, puis est chargé de boulets d'un métal qui est un constituant du carburant désiré, de manière à les immerger dans le milieu. Tandis que les boulets métalliques viennent en contact avec les électrodes et l'un avec l'autre, ils sont effec- tivement maintenus dans ces positions par de minces films d'hydro- carbure. Quand on applique une tension disruptive entre les é- lectrodes, une série répétitive de décharges disruptives sont induites par intermittence dans les intervalles entre les boulets métalliques maintenus à côté l'un de l'autre par des pellicules d'hydrocarbures.
La haute énergie d'impact résultant des décharges détache des surfaces des boulets métalliques des particules mi- croscopiques qui sont simultanément dispersées dans l'hydrocar- bure. Les décharges disruptives se produisent entre tous les boulets métalliques ou, en d'autres mots, suivant les trois di- mensions du réacteur. Comme par suite de la décharge, les grains grossiers se déplacent activement et comme, en conséquence, ses points de décharge changent de place, il est impossible qu'il se produise des courts-circuits par suite de la fusion des grains de métal, de sorte que la réaction se poursuit sans discontinui- té. En conséquence, les boulets métalliques sont uniformément corrodés électriquement sur toute leur surface et à mesure qu'ils sont ainsi désintégrés, leur forme reste essentiellement sphérique.
Les grains arrondis en forme de sphère facilitent le mouvement at stabilisent la décharge. Pour obtenir des décharges disruptives répétées, on recommande l'application d'une tension pulsée. Une des caractéristiques du présent procé- dé est que la poudre métallique que l'on peut obtenir consiste en particules extrêmement fines dont la dimension est comprise entre 0,01 et 1 micron. La dimension des grains de la poudre métallique est en relation avec la tension disruptive, le nombre de coupures et la fréquence des décharge, la résistance du mi- lieu, la nature du métal, tandis que le rendement en poudre est
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proportionnel au courant électrique appliqué.
Il est donc faci- le de contrôler l'importance de la dispersion aussi bien que la dimension des grains de la poudre métallique, en faisant varier divers facteurs et en modifiant le nombre de coupures.
Dans le procédé de cette invention, les minces films d'hydrocarbure remplissant les intervalles entre les bou- lets métalliques sont décomposés ou craqués par l'énergie de la décharge. Ainsi donc, au point de décharge, la fragmentation des grains de métal et le cracking de l'hydrocarbure se produi- sent simultanément.
Les parties de l'hydrocarbure se trouvant autour des points de décharge sont craquées en une phase gazeuse et en carbone et le gaz ainsi formé est extrait du système en réac- tion, tandis que le carbone se précipite dans le milieu. La diffraction des rayons X et le microscope électronéque ont per- mis de constater que le carbone mentionné ci-dessus est un car- bone amorphe microscopique dont le diamètre va de 20 à 30 milli- microns, de sorte qu'il s'agit d'un carbone fortement réactif.
Comme le carbone appartient au groupe supérieur gauche du ta- bleau périodique des éléments, on peut l'employer comme consti- tuant utile du carburant du type décrit. La production d'un tel carbone par cracking en l'absence d'atmosphère et à l'état amorphe, qui est un état fortement réactif, constitue une secon- de caractéristique essentielle de cette invention.
On notera en outre que suivant la présente inven- tion, une poudre métallique et une poudre de carbone microscopi- ques sont obtenues en l'absence d'atmosphère. Ce fait constitue une troisième caractéristique de la présente invention qui la distingue des techniques conventionnelles..
Plus les grains de métal se réduisent, plus gran- de est la surface proportionnelle de ceux-ci et, par conséquent, plus intense est leur activité. Quand l'atmosphère extérieure est un gaz inerte, la surface des particules à haute activité
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absorbe celui-ci et son activité se réduis "!' ('0'::';''''i.'.4<J;ce..LL.;,. le cas d'une atmosphère 1 cin :,îllt..;,'.2 :'tslî:. considérablement l'activité des particule,") .%a's"üC' '1:1" 1.;5 ' ..lt=.À> mentionnés ci-dessus, i.; '''iÜoyé CcW.".FE3 conJt-1=::;;iiL, a: .: Zt.Sc 1'¯:'a< bzz carburant, réagissent ="x't..n:llt, La réduction de l.taC.-Y3.,. ... particules a pour conséquence un0 l'c::Cr..IV.'. t.t.' ré-=,il=3 Gui ct mine à son tour une réduction l1:J la Vitl<:':';"3 ,.;, .¯'¯:v,.::, <-1 ¯¯ la poussée spécifique G' :.ml C c.: i?',.1:W .=i : t , C.) '.': c.
C 1 :. 1 : t) , , .. :1: à<1 ; 5.;.-L- bilité d'adaptation d'j la poudre à des Ciw:"J:1T,".:,7 .. f.,...1:.. 2;.¯Z"'"'" gie et à poussée . :ClilCLlO élevée:, tels (,¯h; 1,":; c-rlù-x..,x:.15 1.38' avions à réaction et pour fusées.
Une quatrième car ctérisz.i,i¯.t3 de cc:tta in '-:..';:.: 0:. est qu'elle permet de disperser et d'incorporer 1=cil,:=r,1;11 1.=J métaux dans des milieux très visqueux tels que les lâû:ts , ;'.-ut poids moléculaire utilisés dans les propulseurs sélanjés. .:1. pratique s'est ainsi établie o.'ir.corporer d0S poudres 7crüSC- piques d'aluminium, de magnésium et de br111iu ainsi que . <;5 poudres similaires dans les carburants utilisés comme "propergols mixtes" à haute énergie pour fusées.
Ces poudres ron seulement augmentent le pouvoir calorifique a'un tel carou- rant mais contribuent aussi à stabiliser sa combustion.
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L'expression "propergol mixte" aésibne un c>1=- rant obtenu en moulant un oxydant solide finement divisé avec un liant haut polymère; ce carburant propulseur peut se couler facilement sous une dimension quelconque et possède une bonne résistance métallique, une bonne stabilité chimique et une bonne combustibilité.
C'est pour cette raison que les propergols de ce type sont employés sur une grande échelle pour les fusées de grandes dimensions. Il est toutefois difficile de disperser
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uniformément un ,métal finesent divisé tel que l1aluTniu, 13 magnésium ou le béryllium dans un liant haut polymère très vis- quc (comme, par exemple, le polyéthylène, une résine acr;li- @
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un métal tel que ceux mentionnés ci-dessus à l'état finement, di- visa, mais le milieu haut polymère n'a qu'une fluidité médiocre et on ne peut donc disperser facilement la poudre dans celui-ci.
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L=5 techniques conm.eniionncilo? sont donc désavantageuses, tnt au point do VU0 du te-,--f-s que de l'équipement. Toutefois, suivit la prsr.ta invention, qui dx l.oie une d4,ci;irg* aisruptive, il <'5L tr,s facile 44 j,rJp>i;1;r et de .ii Jpfir:53.'r 5i::..ult.lnt::r.ert, Qt3 Tanière t.L:àIOr7, une Gu.:I'= : =.tl ::icro:.>co;-iqu0 G.',.:i8 un 1l..LaG :1....'...:.:' polymère. La raison !::1 est que l'<0110rie 0.'i::'.Í'..ct ce la Q,: C.'S:..p.T'îs ci5rUr.:'YtJ .'.f:. produit j i7.i 8dule=-t ure poudre microsco- pique de tl mais sert fal:xert à cispera-r u:i:o:béx ant ccil '- ci dans le lint.
Una cir:quiè:-,0 c;;.n:.ctéristiqUf wpcrtunte ce cette invention est qu'au cours de la production d'une poudra microsso- piqua, contrairement aux procédas traditionnels, l'infiltration d'impuretés est impossible. La. fragmentation du étal dans
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l'hydrocarbure coTibustible s'effectua exclusivement par l'enerjia électrique.
L'effet favorable de la présente invention est done particulièrement prononcé dans le domaine des carburants pour fusées et avions à réaction, qui exigent un haut degré de pré- cision et de pureté.
On décrira maintenant la présente invention en sa reportant au dessin annexé. La figure 1 montre un réacteur 1 en matériau isolant électrique, dans lequel est installée une
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paire d'électrodes ¯ 2 et z. Il peut exister plusieursàe ces paires d'électrodes, en vue d'opérations commerciales. Elles sont de préférence du mime métal que celui à fragmenter et à disperser, mais comme la perte de matière de celles-ci n' atteint que 5 $ environ de la quantité de poudre microscopique que l'on peut obtenir, ces électrodes peuvent être en d'autres métaux pouvant se manipuler facilement, tels que le cuivre ou le fer.
Le réacteur 1 est rempli d'un hydrocarbure liquide 4. tans
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la forme d'éxecution illustrée, le circuit de d6chrB comprend un oscillateur de d6cùu::,;..e à éclateurs, fournissant, un rnd nombre de d8ch¯rt;e3 par unité de te,J11.s, sous une :l.tutc3 énergie.
Les 6cL..t.úurs G de l'oscillateur sont x-CCGf'C.t;î eL s<2ri.: avec les (loctrocer, 2 et 2- ci i à.flsi¯;1><;ni ses contacts rac- cordes à 'J :E; source 4:tOriF9ryjy 8 in i.r'aIl:WCi'I: .utt':r élv- t<jur de t v.......Crl, . < i (7 Urie >,:1 li::ii,,r:i 1. 4E'IVa,, ' Oïl '0 eut un ccndensdour, 11 if.1:Utj un ;r L'ùl LI , .-- \.::)t. \Le inductance o5c'11rt" 1 ;:ne 1; iuc;,-;:ce =11#;,asé,; -.r" t..r;é.5le avec les électrodes afin de rer.d les d0Ch."-r"1;:3 <;1#r-upLi;es plus efficaces, b zut urr., bobine d'arrêt, }6 .et U sont des résistances non diélectriques.
Il 5t 1& prévu une conduite 18 pour l'échappement du gaz, .;ui sert à évacuer la caz déç,,44 quand una 1>aràia de l' :ycîr ocarbu..r: est craqué,, 12 d3i;;ne un, tI't:.G^ ;n<;V'C' peur l'introduction des boulets <4tal- liques de départ dans le réacteur, t::di5 que 20 désigne un conduit de sortie pour 1 t: yczrocaz-bur et lus produits siilire6.
Quand le réacteur 3t en fonctionnement, après que l'hYGrocrlure combustible a été introduit cans celui-ci, le e - à 1 sous la. for- , ne de boulets ou de ±rins grossiers cifuna aia;t;:n:5¯on approximati- ve de 5 à 50 es est à son tour introGuit Q;irl9 lr.p#J...T"C11. n, d on applique :::..:i.intE>!1nt une tension aisruptive entre les électro- des ± et avec l'oscillateur de découpage, il se procuit -
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une série de décharges àisruptives à l'intérieur des boulets de métal grossiers et l'énergie résultant de ces décharges provoque
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un arrachement de frag4ents rdcroscopiques des surfaces des bou- lets métalliques. ComTe les décharges se répètent sous les impulsions de tension, le rendement en fr.xer.ts métalliques microscopiques augmente avec la durée de celles-ci.
Ainsi qu'on l'a signalé, aux points ou se produisent les décharges disrupti-
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ves, la fragmentation des boulets métalliques et le cracking
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d'une partie de l'hydrocarbure combustible remplissant les in- ti't1rrî rntrs li< boulets se produisent sit4nént.
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Ër.Û "-Îe <.'i;.>= , .., , ... a 1...-<2;';;:;".=i' 1 1 é. C 0 :; J :i . i or. -J..-3 3 .:.",: . t .¯,... ...C:'.:¯ et. Lùt.....¯.,.¯...¯'¯:l:.ü8 sur aré#1;r:,r 1- ;#1: :.ii±tl zut, 1.> i'1.;à-;1.i..' ... p r ¯. :' v i C i..''.:. C: .,'W : ce mftI-1 et <;ce r;^C.'.F On t=--Cï..1\.... a ¯ ,....0.::i ;....,. IC;'::.t.', -=';ppli- :---:.icr7.
L;'i..:" .Li ::'Gr¯..¯ ..' if-.':W...:4:: ,-",,:.5 1..,..5=ÉÀ,1 un c.r'bu- .,: 1 i, JT, "-iU:' 'si. ',;n :':.:":¯\.A"-:.:" ,.,.',;Y. -';(;;:.: 1 . u ... ¯ ., .. eu typoe lu pétrclt3, t:t. :v.; w..:i.. ¯ ....,...:.Wi .-.....¯..Lf¯ --1 ()L .:t.cf-' :li5- "erSéeS des .C',.lCi- 3 ::iC"C:¯.2';:i',-Ut.., l't¯..'¯..-¯ii.L:. ci -=,; carbone. tensions du recteur ¯eG mm (diamètre) sur 1000
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.=titre du réacteur ;oly:rc;::r18ne iatiére des électrodes .:...lu::dniu1L 'or:ne des électrodes 2CO = (diaëre) sur 100 m= ;s#aceent des électrodes 500 'enaion de la source 220 V ension de décharge 20 KV réquence de la source 60 cjs
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récence des déchàràes 6 par 1/2 cycle uantité de carburant J P dans le réacteur :
13 1 (10,4 kg)
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<tb> Quantité <SEP> de <SEP> boulets <SEP> d'alu-
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<tb> minium <SEP> 12 <SEP> kg
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<tb> Dimensions <SEP> moyenne <SEP> des <SEP> boulets
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<tb> d'aluminium <SEP> 10 <SEP> mm
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<tb> Rendement <SEP> en <SEP> poudre <SEP> d' <SEP> Al
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<tb> microscopique <SEP> 5 <SEP> kg/h
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<tb> Dimension <SEP> moyenne <SEP> des
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<tb> particules <SEP> d' <SEP> Al <SEP> 0,3 <SEP> microns
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<tb> Rendement <SEP> en <SEP> carbone <SEP> 0,
5 <SEP> kg/h
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<tb> Dimension <SEP> du <SEP> carbone <SEP> 20 <SEP> millimicrons
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<tb> Consommation <SEP> d'énergie <SEP> 22 <SEP> Kah <SEP> carbone <SEP> : <SEP> 0,5 <SEP> kg/h
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<tb> Carburant <SEP> J <SEP> P <SEP> craqué <SEP> 1,1 <SEP> kg/h <SEP> gaz <SEP> ; <SEP> 0,6 <SEP> kg/h
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Proportions des diverses salières dans le réacteur Après une heure de réaction :
EMI12.2
<tb> Carburant <SEP> J <SEP> P <SEP> 63 <SEP> en <SEP> poids
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<tb> Poudre <SEP> d'aluminium <SEP> 35,7 <SEP> %
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<tb> Poudre <SEP> de <SEP> carbone <SEP> 1,3 <SEP> % <SEP>
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Proportions des diverses salières dans le réacteur après deux heures de réaction :
EMI12.3
<tb> Carburant <SEP> J <SEP> P <SEP> 47,6 <SEP> % <SEP> en <SEP> poids
<tb>
<tb> Poudre <SEP> d'aluminium <SEP> 52 <SEP> %
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<tb> Poudre <SEP> de <SEP> carbone <SEP> 0,4 <SEP> %
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La figure 2 contre les rapports de sédimentation et les périodes de stabilité en jours pour le carburant obtenu après deux heures de réaction (composition : poudre d'alu- minium 52 %, carbone 0,4 %, carburant J P 47, 6 %.) aux
Cette invention ne se limite pas/procédures dé- crites ci-dessus; en général, les hydrocarbures liquides et des métaux tels que Lé, Be, C, Na, Mg, Al et Si peuvent éga- lement s'utiliser pour sa mise en pratique. Dans ce cas, le poids spécifique des métaux à disperser va de 0,5 à 0,6 et le diamètre des particules va ce 1 à 0,001 micron.
Plus la dimen- sion des particules est réduite, plus efficace est le carburant, En conséquence, le diamètre le plus désirable ces métaux pulvé-
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est désirable de réduire la dimension des particules métalliques en vue de la viscosité et la résistance à l'écoulement du carbu- rant. En outre, les figures 3 et 4 indiquent les variations du poids spécifique, de la viscosité et de la température d'in- flammation du carburant mais en ce qui concerne le pouvoir de neutralisation, l'agressivité et la température d'inflammation, il n'y a pas de différence entre le carburant obtenu par l'in- vention et l'hydrocarbure même.
On verra que les carburants à haute énergie obte- nus par le procédé de l'irvention donnent entière satisfaction en ce qui concerne la stabilité de la dispersion. En conséquence, cette invention est unique et avantageuse comme procédé de fa- brication de carburants à haute énergie.
-REVENDICATIONS-
1.- Procédé pour fabriquer dans un réacteur un carburant à haute énergie et à poussée spécifique élevée à utili- ser dans des moteurs tels que les moteurs d'avions à réaction et de fusées, caractérisé en ce qu'il consiste à disperser dans un hydrocarbure combustible fluide des boulets sélectionnés parmi un groupe comprenant des métaux et leurs alliages, le carbone et ses composés, à immerger au moins une paire d'électrode es- pacées dans le mélange d'hydrocarbure et de boulets, à appliquer une série de tensions disruptives entre les électrodes afin de provoquer ainsi une série intermittente de décharges disruptives entre les boulets non exposés à l'air, jusqu'à ce que ceux-ci soient pulvérisés,
que l'hydrocarbure combustible soit craqué simultanément en gaz et en particules de carbone et qu'il se pro- duise une dispersion des particules microscopiques fragmentées, des particules de carbone et des gaz craqués.