Сухов А.В., Парыгин К.Э. - Топлива жидкостных ракетных двигателей

Министерство образования и науки Российской Федерации Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Револнзции и ордена Трудового Красного Знамени Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана А.В. Сухов, К.З. Парыгин ТОПЛИВА ЖИДКОСТНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Учебное пособие по курсу «ТОПЛИВА И РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ» ! 1од редакцией А.В.

Сухова 2005 г. Москва Данное учебное пособие издается в соответствии с учебным планом. Рассмотрено и одобрено кафедрой ..2005 г. Рецензент: д,т,н. проф. елисеев В.Н. Ю Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана Основные обозначении Индексы — срез сОпла," — воспламенение; — горючее, горение; — жидкость„ — земной", индукцня воспламенения — камера сгорания конечный: — кипение; - окислитель', — пустотный; — парогаз; — продукты сгорания, -- смесь", - ТОпливо. пг Сокрашения в тексте АК вЂ” азотная кислота; ДУ вЂ” двигательная установка; ЖРД вЂ” жидкостный ракетный двигатель„ КС вЂ” камера сгорания; ЛА —.

летательный аппарат; ММà — монометилгидразин; НДМà — несимметричный диметилгидразин; 'П4А — гурбонасосный агрегат.  — коэффициент диффузии, кг4м.с); Н; — теплота сгорания, кДж/кт; Х вЂ” удельный импульс тяги, м/с; Кл — стехнометрический коэффициент; .М -- относительная Молекулярная масса; р —:- д~~~е~~~, Па; Р = газовая постоянная, кДж/~кг.К); Т вЂ” температура, К; И' — скорость продуктов сгорания, м/с; а — коэффициент избьгтка окислителя; Х -- коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К1: а — степень расширения сопла; р, - ~~~~~о~~~топлина, кгУм'; т — время, с; т. -- период задержки химического самовоспламенения.

с. 1. Окислители жидких ракетиыя топлив Окислителем двухкомпонентного ракетного топлива называется вещество нли совокупность веществ, содержаших в своем составе преобладающее количество окислнтельных элементов, обеспе ~ивакиыих окисление горгочего в камере сгорания. Из таблицы Менделеева видно, что к числу окислителей относятся элементы правой ее части (5, б, 7 периоды) фтор, кислород, хлор, бром, йод и азот. Такое положение окислительных элементов в периодической системе объясняется структурой внешних электронных оболочек атомов. Как известно„горение есть процесс химического взаимодействия между элементарными веществами, который основан на стремлении атомов дополнить внепптюю оболочку электронами.

При этом окислитель присоединяет недостающие электроны. горючее отдает внешние электроны. В порядке убывающей химической энтальпни нли теплоты сгорания Н., в наиболее эффективных смесях с горючими веществами элементарные окислители можно расположить в следующей последовательности: кислород, фтор, азот„хлор, бром, йод. Однако Н, — это статическая характеристика, ничего не говорящая о динамике процесса горения. Для этого существует другая характеристика окислителя, называемая химической активностью. В порядке убывания активности в химических реакциях окислителн располагаются в ряш фтор, хлор. бром, кислород. йод, азот.

Активность возрастает по мере насыщения электронами внешней электронной оболочки атома и достигает максимума, если недостает одного электрона. У кислорода на внешней оболочке шесть электронов, у фтора и хлора — по семи. Таким образом, с точки зрения теплоты сгорания азот и хлор как окислители ЖРД имеют меньшую ценность, чем кислород и фтор.

Однако имеется целый ряд соединений азота и хлора с кислородом и фтором, которые представляют существенный интерес как окислителп ракетных топлив. Бром и йод дают еще меныную теплоту сгорания, чем кислород и фтор ( гак, максимальная Н, брома и йода с литием составляет 4200 и 2200 КДж/кг соответственно). Поэтому, не смотря на их высокую химическую активность (некоторые горючие самовоспламеняются и броме) и высокую плотность брома н йода в твердом состоянии (3120 кг/м и 4940 кг1м соответственно), онн не находят применения в ЖРД. Следовательно, в качестве самостоятельных (элементарных) окислителей могут рассматриваться только кислород, фтор и хлор.

Но наиболее эффективными и ~оот~~тстве~~о ~ир~~о применяемыми и перспективными являются кислорся и фтор. Однако окнслителями могут служить не только элементарные Окислители, но и их комбинации, число которых достато ~но велико. Это, прежде всего. Соединения друг с другом кислорода. фтора.

хлора и азота в разли оных сочетаниях. соединения их с горючими элементами (водородом, углеродом 1, Например, жидкие ракетные окислитсли: азотная кислота (Низ), хлсрная кислота (НС1О~)„серная кислота (Нее~), тетранитрометан (СИ~О~) и др., а гакже растворы ралличных окислителей друг в друге. Окислители ракетных топлив можно разделить иа следующие четыре группы: 1. Лзотсодержащие окнслители — окислы азота и окислителя, содержащие окислы азота или являющиеся их производными — И~О~„Х~О„ ИО Х204 1чзоз СН4оь Нчо1 и т д.

2. Кислородсодержащие окислители — кислород, его аллотропические видоизменения и соединения с ~ орю асими элементами: О~, Оь 04, Ок, Н-О., Н 0 н др. 3. Фторсодержащие окислителя — фтор, фториды кислорода, хлора, азота и другие фторсодержащие соединения: Гз, ОГз, Г~02, С1рь Хрь ЕСЮэ, ВгГ; ндр 4, Хлорсодержащие окнслители — хлор, окислы хлора и окислители, содержащие окислы хлора или являющиеся их производными: С!2, С1зО, С10~, С!~0~, НС104. НСЮз, НС10з, НСЮ и т.

д. В результате всесторонней оценки и сопоставления физико- химических свойств веществ значительно сокращается число эффективных окислителей. Окислитель следует выбирать в соответствии с используемым горючим. Гак, углерод и алюминий выделяют болыное количество тепловой энергии при сторании в кислорсде вследствие стабильности образующихся окислов. Водород, литий н бор выделяют большое количество энергии при сгорании в кислороде с фтором, а бериллий может быть окислен любым из этих окислительных элементов, хотя при сгорании в кислороде выделяется большее количество .тепловой энергии.

Фтор эффективен только с горючимн, не содержащими углерод «Н2ЫНз„М Н4, ВтН„, В;Н9 и др.), ввиду образующейся молекулы СЕ~ с высокой относительной молекулярной массой, что приводит к снижению г~~овой нос~олиной продуктов сгорания и, соответственно, 1;, В таблице 1 приведены наиболее важные свойства жидких окислителей ЖРД, характеризующие эффективность их использования, эксплуатационные качества и др. Из данных табл 1 видно что хорошими физическими свойствами, достаточной стабильностью, пригодностью к длительному хранению обладают такие окислители как ННОЕ„М~О4, С1Гэ и в меньшей степени Н~Оз.

Зна~ения плотности компонентов показывают, что высококипящие окислители, такие как И~Он Н.О2, Н1МОз, значительно превосходят по этому показателю широко применяемый криогенный окислитель жидкий кислород, обеспечивая тем самым лучшие массовые характеристики ДУ. Для создания надежно работающего двигателя компоненты топлива должны быть эффективными охладителями. Это означает, что вязкость их должна быть низкой, чтобы обеспечить высокую скорость течения в охлаждаю~дик трактах при малых гидравлических потерях, а теплопроводность н тешюемкость — высокими. Гакое сочетание свойств обеспечивает хорошие условия для гтередачи тепла от стенки к охлаждающей жидкостн. Вязкость компс нентов должна как можно меньше меняться с изменением температуры, чтобы не изменялнсь ус;ювия впрыска и распыливання.

а~-~ й' ~' Ж Ы | <".Э 5' ~б х 1 СР С:> ) "" "! О~ Ф .й О ~ ~4 О '*, %~ 1 О~ с~~ '% "~с !ж( 1- ! '4Р С""~ 1 рр ( сч ~ Г'3 ~4 4 ОО ( 4 ~ сч Г"~ ю .й <~ Р- ~-, С- а «~ й ~ Ж ОЕ,х ~ с~ ~4 ~~ ~ — ~ь ~4~ с~ с Г 1 ОО $- й. 'ж г- оо ч; -~с, Е С М ~С~О~~ — С с~~ с~ ,Д й ": л ~~ И Ж1~ Е ~ ь-~ 1 ж й о 1 Т ~ ТЫ~ Г"' в, Ч~ Сб О ~~ ~ ~ $Ц" ! ж ~ ~ ~х'в х~ ж г", й ~е,'~ ц е,' с~ ~ ~О с~ ~~р; й~~ Х ~.~ ~'~ ~~ ! ~м -'С1~ < 4 ',"~$" (д',; 1 ~"") ) -~-~с с~ ~~ ~4' ! с~ т3~4:~)С:) С~ ~-,, = ~ С~ ! ',й' Ь'1 ' Г4:, С'.1 ~ М-, ~ С~ О-3 .

ОО «Г~ ~ $.- 1 ( ~'~~ ~~.,) 4"'~ 4Р', '~ Г4 Ф .~ ~Ф' ) 4'"~ ) ~ ~ ~ ~, "~ СО '3 (' ~ Ю с~ ', О~ ~ с4,~,'~О <>~~ с4 со м~ е,~ >р, ~,~ ц ! ~ '~~Г а. ~;~~со'$" ~ ~,~ ~ ~~, ~<~ «а~М','( ~9,~б ~ 1 х 1- И,'Е -ЕМ Ф х 3 4Е ,б ') г~ й С'3 Й Е Р' й ж х О ж й ~й' Р: а.

Ы О оз » ж :~ Е Ж ~Ц '" й ж ж О 63 й$ ж о Ф Ц ~ г~ М р„ 2 Ж О' е~ (-~ д о О» г.~ $ Ж ж ,Ю О ~у сб Х ф Сй ~'- сй с~ ~й Х О х ~ ~Х М О Ю ж Ы ж ж М Ы Д Важным свойством является коррозионная активность, агрессивность компонентов. При высокой агрессивности лля достижения длительных сроков хранения компонента без образования соединений с материалом бака или трубопроводов может потребоваться применение стойких, как правило„дефицитных и дорогих материалов.

Вместе с тем имеются способы снижения агрессивности путем применения небольшого количества добавок, не влияющих на энергетические характеристики. Характеристикой токсичности служит предельно допустимая концентрация при длительном пребывании человека в атмосфере„содержащей пары компонента. Надо заметить, что опасность при использовании токсичных компонентов существенно уменьшается в случае заводской заправки н герметической закупорки баков. Азотная кислота НМО». Высококонцентрпрованная НЯО» -- бесцветная жидкость„легко разлагающаяся на воздухе, в связи с ~ем она получила название «дымящей» кислоты.

Доступность Низ позволила впервые в СССР 1В.П, Глушко, 1932 г.) использовать ее в качестве окислителя для ЖРД. Азотная кислота является стойкой только при температуре замерзания ~температура, при которой начинают в жидкости выпадать кристаллы). При нагревании и на свету она разлш ается; 2 КМО» = НрО; + Н О = 2 ИО2 + НзО +»~~ Оз. В результате концентрация НЫО» снижается со ! ОО до 98 — 99%, после чего процесс разложения в значительной степени замедляется образовавш~йся водоЙ. Основной метод получения НМО» -- каталитическое окисление аммиака ХНз. Безводный аммиак смешивают с нагретым сжатым воздухом и пропускают над платииовым катализатором при температуре — 13ОО К.