Сухов А.В., Парыгин К.Э. - Топлива жидкостных ракетных двигателей, страница 4

С.ЩЬ(О2)з). 2 Нео ганическиесое ннения: водород Н~, аммиак ИНз„бороводороды ВрН„, В;Ня, гидразин 1 12Н4,. все металлы Мя, А1, В, Ве, 1.1 и т.д. 3. Элементно- ганические сое. ««нения: металлоорга ника; суспензии; золу; гели итд. т« В таблице 2 приведены наиболее важные свойства жидких горючих. откуда видно, что такие горючие, как гидразин, несимметричный диметилгидразин (Н,~ЯГ), монометилг««дразни (ММГ), керосин, являются стабильными компонентами, обладают хорошими физическими свойствами, пригодны для длительного хранения. Высокую плотность имеет гидразин (1010 кгlм ) и низкую — водород (71 кгlм )„промежуточную — метан (420 кг~м') Надо заметить, что плотность одного компонента не является определяющей Так, гидразин по плотности существенно выше, чем НДМГ„но в паре с И~О~ вследствие большого количества окислителя„потребного лля окисления второго горючего (НДМГ), ~~о~~о~~~ топлив оказ~~~~~с~ по~~и одинаковой в обоих случаях.

Нефтепр~~ кть«. Как известно, нефть состоит главным образом из углеводородов парафинового ряда, нафтонов, ароматических углеводородов„ непредельных углеводородов и поэтому является основным сырьем для производства горючих. Углеводороды обладают примерно одинаковой теплотой сгорания. Они являются преобладающими веществами, входящими в состав нефти и в продукты ед переработки. Существую«цие способы переработки нефти основаны на разделении фракций сложного состава по температуре кипения.

Фракционный сосгав является одной из важных характеристик нефтепродуктов. Диапазон температур кипения нефти значителен. Так, при температуре 7' =- 313-333 К кипят нефтяные эфиры, обладающие низкой гемпературой плавления (75 К). Тогда как фракции, содержащиеся в соляровом масле, возгонянлся в интервале температур 543 — 593 К. Характерно, что с энергетической стороны преимущество фракций дру«. перед дру«.ом невелико.

Отсюда можно сделать вывод, гго выбор горючего на основе нефтепродуктов должен исходить из других требований. Характерна также малая разница в температуре горения и газообразования. Таким образом. оставляя пока в стороне влияние горючего на физико-химические превращения в камере сгорания, очевнзно, предпочтение следует отдать фракциям нефти, обладающим: а) ббльшей плотностью б) малой вязкостью; в) высокой температурой кипения. !б В связи с этим предпочтительнее керосины и низкомолекулярные углеродык которые более эффективны, чем спирты„но менее эффективны, чем НДМГ. Они доступны„лешевы.

удобны в эксплуатации и имеют надежную сырьевую базу. Керосин широко применяется в паре с жидким кислородом. С точки зрения интенсивного смесеобразования целесообразно применять фракции с малой теплотой парообразования, малым коэффициентом поверхностного натяжения„низкой температурой кипения, малой вязкостью. Существенной пробле~оЙ при использОвании нефтепродуктов в качестве горючих является коксообразованне. Были случаи отложения, а зачастую и забивания форсунок кок~о~, что приводило к нарушению ~естного сос~~~~ ~меси, нзмененню общего расхода горюче|о, а, следовательно, и тяги двигателя. Фракции с ббльшей плотностью в большей степени склонны к коксообразованию Метан СЦф считается в настоягцее время наиболее перспективным горючим. Он устойчив, малотоксичен, недорог ~втрое дешевле керосина), имеет практически неограниченную сырьевую базу (в России находится 40% мировых запасов природного газас в ~~тором ~с~~~ ~оставляе~ 98%).

По ср~~н~~~ю с керосином жидк~Й метан ~~~~е~с~ ~~пл~~~~ охладителем (оди- НаКОВЫЙ тЕП.ЮВОЙ ~О~~К ~о~~о ~~~~ь аДВОЕ ме~~~нм расходОм МЕтапа)г а ПО сравнению с водородом имеет более высокую температуру кипения. Мсган не требует специальной обработки полостей между контрольным испытанием и полетом, что облегчает многократное использование.

В то же время. мстан имеет низкую ~вдвое нижес чем у керосина) плотность, при некоторых режимах горения может разлагаться с выделением углерода в твердой фазе, гго может привести к падению удельного импульса из-за двухфазности течения и резкому ухудшению режима охлаждения КС из-за отложения са'ки на ее стенках. ~~опа ~ С~Ня и природный газ, как ракетные горючие, имеют характеристики, близкие к тем, что у метана. за исключением большей плотности и более высокой температуры кипения. Проблемы их использования схожи с теми, что и при использовании метана. В последнее время идут активные научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки в области применения низкомолекулярных углеводородов (как метана, так н пропана с природным газом), в том числе в направлении модификации уже сутцествующнх ЖРД ~в истности, такие работы были проведены над РД-120).

Воронок Н, ввиксгск овнии из высоковффскгиинык горювик. Гсвообразный водород представляет собой негкнй газ без цвета, запаха и вкуса, легко проникающий при повышенной температуре лаже через стекло, кварц и нексрторые металлы. Жидкий водОРОл — прозрачная. бесцветная.

легкопод- вижнаЯ жидКОстты Молекулярный Н. существует в двух формах: орто- и параводород. Различие орто- н параформ определяется нх спином. У параводорода спин протонов противоположно направленный, у ортоводорода одинаково направленный, Переход ортоводорода в параводород сопровождается значительным выделением тепла, достаточным для испарения всего жидкого водорода. В настоящее время найдены эффективные катализаторы, позволяющие снизить потери жидкого водорода при хранении.

В чистом виде водород не взрывоопасен. Однако смесь его с Ор или воздухом в широком диапазоне соотношений способна взрываться от действия теплового илн электрического импульса. Водород не токсичен, но вдыхание его в большом количестве может вызвать удушье. Водород легко получить электролизом воды. В промышленном масштабе его получают восстановлением водяного пара раскаленным коксом.

Н.О+С=Н +СО. В результате этой реакции образуется парогаз (Н2О+ Ня + СО), к которому затем добавляют водяной пар и пропускают над катализазором. Происходит реакция: Н20 ~ СО = Н, + СО2. Двуокись углерода СО~ легко удаляется при промывке водой. Сжижение Нъ осуществляется путем сжатия его и охлаждения жилким азотом, а з пем производится его расширение при пропускании через систему специальных отверстий. Водород не вызывает коррозии, но приводят к разрушению многих материалов вследствие их хрупкости при низких температурах. Резервуары для хранения рекомендуется изготовлять из малоуглеродистых сталей с высоким содержанием никеля, нержавеющей стали.

Изоляционный материал — пенопласт. Другой существенный недостаток водорода — очень низкая плотность (71 кг/м ). Однако в перспективной, высокоэффективной паре с фтором, где К», = 19. о = 0,95. р, = 1510 кгlм~, эгот недостаток частично устраняется. В настоящее время водород широко применяется в паре с кислородом. '1рудности использования жидкого водорода .заключаются в его очень низкой температуре кипения. взрывоопасности в смеси с кислородом либо воздухом, большой способностн диффунднровать в металлы ввиду высоких зна 1ений коэффициентов переноса 10, Х) Сжижение газообразного Н~ и поддержание очень низких температур ~20 К и ниже) требует значительных затрат энергии, а также сложного и громоздкого теплоизоляционного оборудования.

В насгоящее время получили наиболылее распространение следующие виды низкотемпературной изоляции: а) вакуумная. 6) вакуумно-порошковая, в) многослойная 1вакуумномногослойная, экранно-вакуумная1. Многослойная изоляция представляет собой систему радиационных экранов, уменьшающих лучистый теплообмен. Размещение большого количества экранов в сочетании с высоким вакуумом обеспе кивает наиболее эффективную теплоизоляцию.

Водород — самый легкий из ~азов, что обусловливает высокие скорости движения его молекул. Поэтому Нр характеризуется высокой теплопроводносз ью, которая при нормальной температуре в семь раз выше теплопроводно- сти воздуха. Этим же обусловлена наибольшая скорость диффузии. В связи с этим одна из особенностей водорода — его способность диффундировать в металлы, осуществлять их кнавадораживание». Поглощение водорода металлами увели гивается с ростом температуры и давления. При поглощении водорода качество многих металлов существенно ухудшается. При этом изменяются твердость, термастайкость, текучест~, электраправадность„ма~ нитные свойства н др, В металле образуются пузырьки и трещины вследствие проникновения в нега атомарного водорода.

После проникновения в сталь атомарного водорода в свободных местах и в местах включения инородных веществ он рекомбинирует в молекулярный. Прн этом давление в металле постоянно возрастает„чта может вызвать ега разрушение. Применение для Нз легированных сталей. содержащих Сг. Мо, Ж, Ъ' н лругие элементы„способствует уменьшению скорости диффузии водорода.

исключает обезуглероживание стали и ухудшение ее свойств. Ьольцюе значение имеет сгруктура поверхности металла Еще один из недостатков водорода — ега способность сжиматься с ростам давления в жидком агрегатном состоянии, что вызывает серьезные трудности в работе и усложнение конструкции ТНА, поскольку требуется насос с 3-4 рабочими колесами вместо одного. Это приводит к расту массы и габарит ив Т?-?А.

всей двигательной установки, а. следовательно, падению дальности полета летательного аппарата. Особый интерес представляет использование в ЖРД так называемого шугаобразнага водорода, представляющего собой смесь жидкого с кристаллами твердого водорода Интерес к шугаобразному водороду обусловлен тем, что прн сохранении энергетических характеристик и текучести жидкого Н он имеет более высокую плотность (87 кг/м~), а также позволяет увеличить сржи хранения жидкого водорода, упростит теплоизоляцню его баков. Гидриды азата образуют группу горючих„в состав которых входят восстанавливающий элемент (водород) и инертный носитель (азат). Горючие с наибольшим относительным содержанием водорода обычно наиболее эффективны.