Сарнер С. - Химия ракетных топлив, страница 9

В этой главе рассматриваются методы и приемы теоретического определения характеристик топлив. В случае любого ракетного двигателя (независимо от того, являются ли компоненты топлива газами, жидкостями, твердыми веществами или их комбинацией) мы имеем дело с одной и той же расчетной моделью горения, которая строится на основании положений термодинамики. Хотя с кинетической точки зрения механизмы горения твердых, жидких и гибридных топлив могут 2. ТЕРМОДИНАМИКА ГОРЕНИЯ И ПАРАМЕТРЫ ДВИГАТЕЛЕН 41 существенно отличаться между собой, особенно при использовании в топливах металлов, во всех случаях с термодинамической точки зрения достаточно лишь одной модели. Важно отметить, что в этой модели не рассматриваются ни протекающие реакции, ни полнота сгорания, а только окончательное равновесное состояние, причем предполагается, что в каждой точке ракетного двигателя рабочее тело находится в равновесном состоянии.

2.2. ДОПУ)ЦЕНИЯ ПРИ РАСЧЕТАХ ПАРАМЕТРОВ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ И УДЕЛЬНОЙ ТЯГИ Химические процессы, протекающие в ракетных двигателях, кажутся относительно простыми. Компоненты топлива горят в камере сгорания, образуя горячие газы, которые затем расширяются в сопле. Следовательно, химическая энергия топлива преобразуется в кинетическую. Возникающие трудности обусловлены множеством возможных реакций и изменением нх интенсивности с изменением температуры и'давления. Чтобы решить эту задачу, необходимо сделать некоторые упрощающие предположения.

Для этой цели камеру ракетного двигателя мысленно делят на две части — камеру сгорания (горение) и сопло (расшнрение газов). По существу камеру сгорания можно рассматривать как устройство, обеспечивающее адиабатическое горение. В случае жидких компонентов топлива один из них обычно используется в качестве охладнтеля стенок камеры. Охладитель поглощает тепловую энергию, которая иначе терялась бы камерой сгорания, и возвращает эту энергию после впрыска в камеру. В случае твердых топлив благодаря изолирующему действию несго. ревшей части заряда предотвращаются потери тепла через стенки камеры сгорания.

Поэтому сделанное предположение вполне оправданно. Предполагается также, что камера сгорания является изобарической. Справедливость этого предположения в значительной степени зависит от конструкции камеры сгорания, а в случае твердого топлива — от целостности заряда. При нормальных условиях в течение периода установившегося горения давление по существу не меняется, так что это предположение ие приводит к существенной ошибке. В случае когда из-за особенности конструкции двигателя давление не постоянно, можно использовать среднюю величину давления в камере сгорания, если изменение незначительно нли его влияние мало, либо выполнить расчеты для ряда значений давления. 42 2.

ТЕРМОДИНАМИКА ГОРЕНИЯ И ПАРАМЕТРЫ ДВИГАТЕЛЕН Предполагается далее, что газообразные продукты сгорания являются идеальными газами и образовавшаяся конденсированная фаза занимает пренебрежимо малый объем. Последнее очевидно, так как даже при комнатной температуре объем, занимаемый газом, более чем в тысячу раз превосходит объем большинства твердых тел. При температурах, имеющих место в камерах ракетных двигателей, объемы твердой или жидкой фазы становятся незначительными. Предположение об идеальном газе справедливо при температурах выше -2000' К о, а также при низких давлениях.

Так как горение обычно происходит при высоких давлениях, возможны некоторые ошибки при оценке характеристик низкотемпературных устройств, таких, как газогенераторы, стабилизирующие или корректирующие двигатели. В этих случаях рекомендуется для большей точности расчетов учитывать не- идеальность газов '). Другой источник ошибок, связанный с предположением об идеальности газообразных компонентов продуктов сгорания, обусловлен наличием в ннх газов, температура которых чуть выше их температур конденсации.

К счастью, в большинстве случаев при испарении конденсированных веществ происходит разложение паров с образованием газообразных продуктов, что приводит к существенно меньшей ошибке. Наименее оправданно предположение о том, что в камере сгорания достигается химическое и термодинамнческое равновесия. Это единственное предположение, отклонения от которого наблюдаются при нормальных условиях. Однако эти отклонения не слишком велики и в основном обусловлены кинетикой процессов, происходящих при горении.

В случае неполного сгорания металлов степень отклонения часто определяется размерами частиц, типом компонентов н конструкцией двигателя. В целом задачу лучше решать при допущении полного равновесия, что позволяет упростить и унифицировать вычисления, а затем вычислять поправки, определив их как неполноту сгорания. Последнее общепринятое предположение, касающееся камеры сгорания, состоит в том, что скорость продуктов сгорания в ней пренебрежимо мала. Хотя продукты сгорания имеют некоторую скорость в камере, она пренебрежимо мала по сравнению со скоростью в выходном сечении сопла. и Это значение температуры является грубо ориентировочным; оно зависит от давления и состава продуктов сгорания. — Прим. ред. и При среднетемпературных процессах горения (например, в газогенераторах) состав продуктов сгорания резко отличается от равновесного, в частности появляются промежуточные продукты сгорания.

Поэтому уточнение расчета с учетом неидеальности продуктов сгорания без знания точного их состава вряд ли оправданно. — Прим. ред. К ТЕРМОДИНАМИКА ГОРЕНИЯ И ПАРАМЕТРЫ ДВИГАТЕЛЕЙ 43 Сопла также предполагается адиабатическим. В случае жидкостных ракетных двигателей это подтверждается теми же доводами, что и для камеры сгорания.

В ракетных двигателях твердого топлива иногда применяется изоляция, что приводит к уменьшению потерь. Однако в обоих случаях несомненно имеют место некоторые потери, связанные с отводом тепла в сопло. Они весьма малы в небольших соплах, предназначенных для работы на небольших высотах или на уровне моря, и становятся более существенными в соплах, предназначенных для использования иа больших высотах или в вакууме. Предположение об изэнтропическом расширении продуктов сгорания в сопле всегда является критическим.

Как и предположение о достижении равновесия в камере сгорания, оно почти оправданно. Однако степень отклонения от изэнтропического течения не может быть определена стандартным путем, поэтому это отклонение следует рассматривать как потери. Следующие два предположения делаются исключительно для удобства и унификации расчетов. Во многих случаях при сравнительном анализе топлив давление в выходном сечении сопла принимается равным давлению окружающей среды, в которую происходит истечение газов'~. Благодаря этому допущению исключаются потери из-за недорасширения или перерасширения продуктов сгорания (с сопутствующей проблемой отрыва потока).

Если задано давление окружающей среды для конкретного двигателя, то это предположение можно опустить и при расчетах учесть разность давлений. Однако на практике желательно иметь общий анализ характеристик топлива до определения назначения двигателя и независимо от него. Кроме того, давление окружающей среды меняется в процессе полета ракеты, что приводит к переменным характеристикам. При расчете длины сопла, обеспечивающего оптимальный импульс, с учетом давления окружающей среды требуется знать вес конструкции. На начальной стадии расчетов удобнее предположить, что давление в выходном сечении сопла равно давлению окружающей среды, а затем ввести поправки для конкретного двигателя. Обычно предполагается, что течение продуктов сгорания в сопле является одномерным.

Очевидно, это предположение не отражает действительного процесса, так как поток будет следовать контуру расширяющейся части сопла, однако, чтобы учесть двумерность течения на данной стадии расчета, необходимо и ' Сравнение высокоэффективных ракетных топлив часто выполняется по пустотным удельным тягам, так как такие топлива часто целесообразно применять для верхних ступеней ракет. — Прим. Ред. 44 3. ТЕРМОДИНАМИКА ГОРЕНИЯ И ПАРАМЕТРЫ ДВИГАТЕЛЕН предварительно знать контур сопла. Это предположение также приводит к улучшению характеристик двигателя. Необходимые поправки с учетом контура сопла удобнее всего ввести в процессе анализа работы конкретного двигателя или в конце расчетов. Приведенные предположения в общем справедливы, и обусловленная ими суммарная погрешность, кроме предположения об одномерности течения, вероятно, не превышает Зо/~, за исключением особых случаев. Однако химические и физические процессы, протекающие при расширении продуктов сгорания, представляют собой серьезную проблему и могут существенно изменяться.

С термодинамической точки зрения они могут быть учтены только путем рассмотрения двух предельных случаев. Относительно состава продуктов сгорания, содержащих только газообразные компоненты, можно сделать следующие два допущения. Состав газов в любой точке сопла либо: а) одинаков с составом газов в камере сгорания (предположение о «замороженном» течении), либо б) является равновесным и зависит от давления и температуры в рассматриваемом сечении сопла (предположение о равновесном течении).