Сарнер С. - Химия ракетных топлив, страница 2

Утверждения о перспективности использования отдельных веществ не имеют достаточного обоснования. Любое вещество может применяться в качестве нового компонента топлива, если топливо на его основе по эффективности существенно превосходит уже применяющиеся топлива соответствующего класса, либо яо крайней мере не уступает им. При этом в первом случае рассматриваемое вещество должно удовлетворять техническим требованиям, предъявляемым к компонентам топлив, а во втором случае также должно иметь большое эксплуатационное, технологическое или другие преимущества. Следовательно, отбор веществ, предлагаемых в качестве компонентов топлив, должен производиться по удельным тягам и плотности топлив на их основе с учетом указанных требований.

Сарнер этого не делает; поэтому к его рекомендациям следует относиться с известной осторожностью. В частности, вызывает сомнение перспективность использования циркония, растворов металлов и их гидридов в аммиаке и т. д., а также утверждение о большей эффективности гидразина по сравнению с несимметричным диметилгидразином. Жидкий фтор относится к наиболее эффективным из существующих окислителей, так как топлива на его основе имеют наибольшую удельную тягУ (за исключением ранее указанных трехкомпонентных) и высокую плотность. По эффективности несколько хуже окись фтора. Остальные окислители, в том числе фторсодержашпе, значительно уступают фтору по удельной тяге топлив на их основе. Фторсодержащие окислители обычно токсичны, химически активны и агрессивны. Продукты их сгорания токсичны из-за присутствия фтористого водорода.

Это существенно затрудняет эксплуатацию фторсодержаших окислителей, использование которых целесообразно лишь при значительном выигрыше в эффективности топлива. К сожалению, выигрыш относительно невелик (кроме случая элементарного фтора), поэтому рекомендапии Сарнера относительно этих окислителей неоправданны. Также спорно его утверждение о преимушестве фторкислородных соединений над фтором (начало равд. 9.5) В гл гл. 4 приведен интересный анализ эффективности типичных двухкомпонентных жидких топлив, образованных девятью горючими в сочетании с десятью окислит слителями, в большинстве своем фторсодержащими.

Путем сопоставления молек улярных весов продуктов сгорания, теплот образования и стабильности их ком компонентов Сарнер выявил наиболее эффективные трехкомпонентные топлива: а: кислород †бериллий †вод и фтор †литий †вод. првдисловиц рвдакторй русского пвввводя Следует отметить, что действительные удельные тяги этих двух топлив отличаются на меньшую величину, чем теоретические.

Здесь также приведены краткие сведения об однокомпонентных и твердых топливах. Рассматривается влияние добавок металлосодержащих веществ на характеристики твердых топлив. Разделы об этих топливах менее ивтересны, чем о жидких двухкомпонентных. Многие высокоэффективные топлива целесообразно применять лишь на верхних ступенях ракет, работающих в вакууме, поэтому правильнее сравнивать их по пустотным удельным тягам при малых давлениях в выходном сечении сопла.

Однако в книге Сарнера топлива сравниваются по удельным тягам, вычисленным при давлении в выходном сечении сопла 1 атм, что является существенным недостатком В гл. 4 содержатся ценные и оригинальные разделы о термической стабильности компонентов продуктов сгорании (окислов и фторидов) при высоких температурах и о составах продуктов совместных «хоняурирующих» реакций в системах из трех элементов Следует указать, что анализ стабильности компонентов продуктов сгорания и удельных тяг типичных топлив, аналогичный анализу Сарнера, представлен в монографии Зигеля и Н!нлера [104) Во многих работях, например [18, 44, 78, 94, 95, 99, 104, 105, 108, 109, 1!4), н приведены расчетные удельные тяги ракетных топл«в.

Однако эти значения удельных тяг следует применять с известной осторожностью, тан хан не все значения вычислены по достаточно надежным термодинамическим параметрам компонентов топлив и нх продуктов сгорания. Удельная тяга топлива во многих случаях является определяющим параметром. Экспериментальное определение удельных тяг очень сложно, длительно и дорого. Г1оэтому при сравнении обычно используются их теоретические значения без учета потерь на неполноту сгорания, трение в сопле и т.

п., так кан расчет этих потерь громоздок и не дает надежных результатов. Однако в гл. 2 и 4 упоминаются упрощенные и недостаточно удачные методы расчета удельных тяг и выбора термодинамических параметров компонентов топлив, необходимых для проведения такого расчета. Сарнер приводит только самый приближенный и ненадежный метод оценки теплот образования с использованием средних энергий связи; при этом он пользуется представлением об «энергии резонанса». Рассмотрим несколько подробнее методы расчета удельных тяг и выбора теплот образования компонентов топлива.

Современный общеизвестный метод расчета удельной тяги сформулирован и развит Ваничевым [10) на основании метода работы [83); интересные способы расчета приведены в работах [18а, 23, 54]. Вычисление удельной тяги— трудоемкий процесс, обычно выполняемый на быстродействующих счетных машинах. Хафф и др. [88) одни из первых разработали метод расчета на таних машинах. Их метод модифицирован Томпсоном [77] и развит Алемасовым н др. и изложен в учебнике [1] (обзор работ группы Алема«она приведен в статье [2]). Некоторые авторы предлагают либо приближенные методы вычисления удельных тяг без расчета состава [43, 8Ц, либо применение номограмм [7, 87) и диаграмм (С з). Применение приближенных методов может привести я существенным ошибкам, а построение номограмм и диаграмм (й э) связано с большимн затратами времени, н тому же они имеют лишь ограниченное применение.

Следует танже упомянуть монографию Уилкинса [114) и сборники докладов [93], в которых описываются методы расчета удельных тяг. ц Под руководством Глушко В. П. составляется многотомный справочник «Термодинамические и теплофизичесние свойства продуктов сгорания» (ВИНИТИ АН СССР). пРедисЛОВИЕ РедАктОРА РусскОГО пеРеВОдА Точность расчетных значений удельных тяг зависит от точности определения термодинамических параметров компонентов топлив и их проуктов сгорания. Наиболее надежные, систематизированные и согласованные между собой термодинамические параметры компонентов продуктов сгорания приведены в справочнике [19], где они вычислены на основании тщательного анализа практически всех данных, опубликованных до конца 1961 г.п.

В этом справочнике приведены обоснования выбора принятых параметров. Аналогичные термодинамические таблицы ЗАХАР [89), опубликованные в США, имеют недостаточную внутреннюю согласованность данных и основаны на менее точных методах. В таблицах 3АХАР рассмотрено меньшее число элементов, но значительно большее количество образуемых ими соединений. При составлении обоих справочников использованы результаты специально поставленных экспериментов. Эти справочники снабжены обширной библиографией.

Для выбора энтальпий (теплот образования) компонентов топлив можно рекомендовать ряд справочников. Опубликованы первые три выпуска (из десяти) справочника [56], в котором приведены наиболее надежные и систематизированные значения термических констант неорганических и органических (содержащих не более двух атомов углерода) веществ. Эти константы выбраны на основании тщательного анализа практически всех опубликованных данных (в первом выпуске до середины 1963 г., во втором — до конца 1964 г.

и в третьем — до марта 1967 г.). По тщательности подготовки и объему представленного материала уникален справочник Россини [102] по теплотам образования и фазовым переходам, охватывающий данные, опубликовавные до 1948 в 1950 гг. На его основе составлен ценный справочник Вагмана и др. [113]. Справочники [56, 102, 113] снабжены обширной библиографией. К сожалению, в них не приводится обоснование принятых величин.

Известный интерес представляет справочник Быховского и Россини [73], в котором собраны н обработаны результаты до !934 гс в нем дано обоснование выбора принятых величин, что является его основным преимуществом. Справочник Брицке и др.[56а) создан на основе справочника [73] и дополнен материалом, заимствованным из справочника Ландольта †Бернштей, монографий Келли и др.

Однако при внесении численных исправлений в справочнике [56а) была нарушена внутренняя согласованность ряда данных. Имеются ценные справочники по термодинамическим свойствам и теплотам образования углеводородов и других органических соединений [11, 11а, 59, 60, 103). Существует несколько методов оценки теплот образования. Карапетьянп [25) предложил методы сравнительного расчета, основанные на принципе закономерности свойств в рядах соединений, сходных по химическим свойствам и структуре молекул. При использовании этих методов необходимо опираться на свойства близких соединений. Энергия диссоциации веществ часто вычисляется, исходя из аддитивности средних энергий связи без учета влияния соседних атомов. Однако такое упрощение во многих случаях приводит к значительным погрешностям. Значения средних энергий связи приведены у Коттрелла [32], в обзоре Кондратьева [28) и в справочнике Веденеева и др.

[12]. Зависимость между энергией связей в молекулах углеводородов н их строением наиболее последовательно рассмотрена в работах Татевского з>, в котоРых Рекомендуется выполнять расчеты с учетом классификации химических связей. Известны методы расчета теплот образования путем суммирования энергий отдельных групп атомов [79, 106]. Метод Караша [92) основан на зависимости между теплотой сгорания и числом валентных электронов, Ханарик [82], юнг и др [90) связывают теплоту сгорания с числом атомов кнс- Р д необходимых для полного окисления молекулы горючего.

Из указан- " В настоя вящее время подготавливаются дополнения к этому справочнику. его метода; соответ ' В Раза. 4 5 этой книги, написанном Татевским В. М., изложены основы да; соответствующая литература приведена в конце гл. 4. Гб ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА РУССКОГО ПЕРЕВОДА ных методов наилучшие результаты дают методы Татевского и Заудерса— Франклина [79, 106].Методы определения энергий диссоциации неорганических соединений по энергиям отдельных связей не столь точны, как в случае гомологических рядов органических соединений.