Сухов А.В., Парыгин К.Э. - Топлива жидкостных ракетных двигателей, страница 2

Образовавшиеся продукты реакции охлаждают Ло комнатной температуры и ВВОдят в поглотительную камеру. Сначала при окислении воздухом образуется окись азота МО. которая окисляется затем до двух-~'г10,) и четырехокисн азота 1МФЭ4). Четырехокись азота 1или азотный тетраоксид) гидратируется до азотной кислогы. В нижней части колонны собирается 6Π— 65%-ная Н1ЧО»„которую можно концентрировать путем перегонки. Если требуется получить красную дымящую азотную кислоту, то в колонну вводят Ь~О4 и 1МО~.. 4 1»1Н + 5 О.-, — 4 ИΠ— б Н О, 2110 - О: =-2110,. =-11,0,, 2М20; + 02 + 2 Н20 =- 4 НЧОз. Азотная кислота является высококипящим окислителем и обладает всеми преимушествами такого типа окислителей. Температура кипения возрастает с увеличением давления, так что при давлениях, имеющихся в рубашке охлаждения ЖРД, температура кипения НМО» достигает 5ОО К.

'1'еплоемкость Н1'10» составляет — 1.7 кДж/1кгК)„что вместе с довольно высокой температурой кипения делает Н1ЧОз высококачественным охладителем с большой»епловосприимчивостью. Кроме того„к числу положительных качеств НМО» слелует отнести то, что она самовоспламеняется с аминами, гид- 8 разином и его производными. Это позволяет повысить зффективпость системы запуска, особенно в ЖРД многократного включения. К числу основных недостатков НМО» (помимо химической нестабильности) следует отнести гигроскопичность, коррозионную активность, токсичностьь.

Азотная кислота, оставленная на открьггом воздухе, знергично поглощает влагу из окружающей среды, что приводит к уменьшению ее концентрации, а, следовательно, геплоты сгорания и плотности НМО». Это в конечном итоге снижает зффективность топлива и ЖРД в целом. Азотная кислота оказывает коррозионное (разрушительное) действие на конструкционные материалы. Все материалы, кроме золота и платины, взаимодействуют с разбавленной НМОз Причем химическая активность НМОз по мере разбавления водой растет. В настоящее время для концентрированной азотной кислоты НМОз, максимальная концентрация которой колеблется от 95 до 99%, подобран ряд кислогостойких материалов — алюминий н его сплавы, хромистые стали с содержанием хрома 12 — 13 %. хромоникелевые стали.

Для снижения коррозии используются ингибиторы — серная кислота Н~ЬО4„ фтористоводородная кнслота НГ (образуется защитная пленка при окислении металла фтором). Азотная кислота отличается таксичностью. Предельно допустимая концентрация ее составляет 0„005 мгlл. Жидкая НМО» и ее пары действуют на организм человека активно и вредно. Однако транспортировка, хранение и зксплуатация ЖРД, использующих НМО»е в настоящее время вполне освоены благодаря применению современной техники. бзотный тет аоксна ЬтОз Саетыыкокн~ь азота» препстаапеет собой светло-желтую (оранжевую) жидкость, окраска которой с увеличением температуры меняется и переходит в бурую. Жидкая четырехокись азота обладает высокой летучестью (температура кипения 294,3 К, .гемпература плавления 2б1.9 К'1.

Однако если добавить к МзОб 5 % от его массы трехокиси азота (М О»), то температура плавления существенно понижается. Азотный тетраоксид при нагреве разлагается на МО . При этом двуокись азота МО2 и ее димер М2О» существуют совместно в состоянии равновесия, в сильной степени зависящего от температуры, В твердом состоянии зто только М~Оть в жидком — происходит частичное разложение с образованием МОз, в газообразном состоянии содержание МО~ возрастает и при 423 К азотный тетраокснд М 04 полностью разлагается.

Методы получения азотного тетраоксида: 11 пз аммиака (катализатор — платина + воздух при 1300 К) 4 МН» + 5 О~ -=- 4 МО + 6 НзО, 2 МО + О» = 2 МО == МзО4, 2) либо путем химического взаимодействия нитрнта (МаМО,) натрия и азотной кислоты (НМО») 3 МаМО + 2 НМО = 3 МаМО; . 2 МО+ Н О, 2 МО + О2 =- 2 МО~ = МрО4. Азотный тетраоксид имеет умеренную 1ниже, чем у Низ) коррозионную активность. Используемые материалы: углеродистая сталь, нержавеющая сталь, алюминий, никель. Прокладочный материал — фтаропласт.

Вследствие ~ок~и~~ост~ К~О~, как и НМОз, воз~ож~~ ~~~ьные о~о~и, и при попадании брызг в глаза — даже слепота. При обычной температуре азотный тетраокснд легко растворяется в концентрированной азотной кислоте до — 50 %. Характерно„что плотность раствора этой смеси меняется и имеет максимум 1при - 40 % азотного тетра- оксида) - ! 630 кг1мз. Повышение плотности системы М Од + 1ЮОз объясняется тем, что молекулы И~О, распределяются между молекулами НИО„ практически не изменяя первоначального объема НХОь Однако при концентрации 112О4 выше 40% молекулы НХОз начинают раздвигагься, объем возрастает, и плотность перестает расти Кроме того. зтот раствор имеет повышенную химическую активность, позволяет получить более высокую теплоту сгорания Н„(- на 10 %), а также обладает большей термической стабильностью по сравнению с азотной кислотой.

Данный раствор находил и находит применение на практике в виде АК-20, АК-27, АК-ЗО, АК-35, где 20,27,30 и 35 означает процентное содержание Ь.О4 в Низ И, наконец, прн растворении 1Ч~О4 в НМОз существенно снижается температура затвердевания смеси. Бе минимум составляет — 200 К при 18% азотного тетраоксида Х2О4. Пе екись во о а НъО2 — бесцветная ыалолету гая жидкость. При загрязнении или нагревании на свету разлагается с выделением тепла: Н.Оз -+ Н2О 4- Ы Оя + 2890 кДж/кг. Чистая Н Оя даже при повышении температуры разлагается относительно медленно. Энергично действует на разложение Н2О2 облучение рентгеновскими и ультрафиолетовыми лучами.

Концентрированная Н~О, (80-90%) применяется в основном как одно- компонентное топливо в стартовых авиационных двигателях и вспомогательное топливо, приводящее в действие турбонасосные агрегаты ЖРД. Использование в ЖРД Н2О как основного компонента затруднено еще тем, что нагрев ее даже до температуры 353 — ЗбЗ К без разложения практически не возможен, что необходимо при использовании компонентов топлива в качестве охзидителя. Ведущая роль использования перекиси водорода в качестве источника парогазовой смеси для привода в действие механизмов подачи компонентов связана со значительным газообразоаанием (высокое значение И„„.) продуктов разложения 1рабочего тела)„а также с его высокой температурной однородностью и стабнльносгью (- 800 К), в то время как газогенераторы, работающие на лвухкомпонентном топливе, весьма чувствительны к массовому соотношению компонентов.

3'ак. при изменении коэффициента избытка окисли геля и на 0,01 существенно (- 20%) изменяс-гся температура и соответственио рабстоспособность рабочего тела турбины. 10 Технология получения Н О~ в настоящее время основана на нескольких методах. Наиболее часто применяется метод действия сильно разбавленной и охлажденной кислоты «серной или фосфорной) на перекись бария: ВаО2 + НЯБО4 = ВаБО~ + Н~О2. Нерастворимый сернокислый барий «Ва304) удаляется фильтрованием.

Концентрированная НЗО. обычно получается из водных растворов методом вакуум-перегонки. Концентрированная Нр02 требует осторожного обращения„так как при соприкосновении с загрязненными материалами иногда возможно самовозгорание. При попадании на кожу Н~О, может вызвать сильные ожоги. При работе с НЗО персонал должен иметь защитные очки, маски для лица и соответствующую одежду — перчатки, фартук из полиэтилена или полихлорвинила. Катализатором для разложения НрО~ могут служить перманганат натрия или калия. обычная пыль, технологическая грязь, органические примеси, конструкционные материалы (свинец, медь, хром и др.). Для предотвращения разложения Н О. обычно используют стабилизаторы — 2 — 5 О' й раствор фосфорной кислоты.

6-10%-й раствор серной кислоты и некоторые другие. В качестве конструкционного материала для Н~О. используется алюминий высокой чистоты «99„6%) или нержавеющая сталь. Алюминиевые емкости перел наполнением должны быть хорошо очищены, промыты раствором едкого натра (На1ЧОз), затем водой н 10%-м раствором Н э04. Баки хранилищ должны иметь дренажные клапаны для отвода паров перекиси. Храни чища должны быть защищены ат солнца При транспортировке Н О2 не боится толчков, ударов„но Очень чувсгвительиа к температуре и, особенно к загрязнению„которые мокнут вызвать каталитический распад и взрыв перекиси.

Воспламенившуюся Н О нужно тушить водой, которая не только сбивает пламя, но н разбавляет Н Оз, уменьшая тем самым ее воспламенимосгь. Коррозионная активность Н~О2 достаточно велнка, снижают ее добавкой ингибиторов, лучшим из которых является нитра.г аммония «МНУ~10,) в количестве 30 — 50 мг на литр перекиси. В качестве прокладочного материала рекомендуется полнхлорвинил винипласт, фторопласт. Кислоуод Π— весьма распространенный в природе элемент, составляе ~ 21-"3 % воздуха, 46,7 % твердой земной коры, 85,8 % воды.

Обладает выООкой эффективностью„в связи с этим широко испОльзуется в качестве Окислителя топлив ЖРД в паре с керосином, водородом и другими горючими. Кислород получают из воздуха путем последовательного сжижения и отделения в жидком виде От азота н других газов, входящих в Состав земной атмосферы (воздуха).

Чистый кислород ни в газообразном„нн в жидком СО- сгояпии не взрывается. Однако смеси его с небольшим количеством горк чих веществ способны взрываться даже от весьма слабых импульсов (сжатия, трения„электризации и т.п ). Поэтому емкости, трубопроводы, арматура, как для жидкого, так и для газообразного кислорода должны быть тщательно Обезжнрены дихлорэтаном, этиловым спиртом или другими летучими рас- ТВОРИТ 8ЛЯМН. Промышленность выпускает жидкий кислород двух сортов. Они отли~аются содержанием кислорода от 99,2 до 98„5% по объему.

Содержание ацетилена не должно превышагь 0,3 смЪл (0,03 %). Сжижают воздух прн помощи чередующихся циклов сжатия и охлаждения, в результате чего температура воздуха снижается до 93 К, при этом происходит конденсация составляющих воздуха лод небольшим давлением.

Жидкий кислород отделяется от жнлкога азота за счет некоторой разности температур киления: у азота 83 К„ а у кислорода 90 К. В связи с тем, что кислород как окислитель для ЖРД цриме~яется в жидком виде и имеет низкую устойчивость, транспортировка и хранение его представляют большую трудность. Для этого используется специальная теплоизолироваиная тара (сосуды Дьюара — для малых объемов, «танки» вЂ” для сбъемов 10 — 50 м' и более).

Жидкий кислород трудно использовать в качестве охлаждающего компонента, а также сложно хранить заправленным в баки летательных аппаратов Обычные стали («черные» металлы) при температуре жидкого кислорода теряют вмкость и становятся очень хрупкнмн, хотя с;. растет. Поэтому используются для изготовления емкостей, трубопроводов„арматуры только цветные металлы 1медь, никель„бронза, латунь), а также легированные стали типа 1Х18Н9Т. В качестве уплотнительных материалов используются — асбест (без смазки), тефлон„некс торые каучуки.