УДК 629.7.036 : 662.62/75 (075.8)

Рецензенты: д-р техн. наук Ф. Л. Якайтис и д-р техн. наук В. М. Кудрявцев

Штехер М. С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей. Учебное пособие для авиационных вузов. М., «Машиностроение», 1976, с. 304.

В учебном пособии даны систематизированные сведения по физико-химическим, энергетическим и эксплуатационным свойствам топлив и рабочих тел, методика расчета основных показателей топливо, основы метода оценки и выбора топлив и краткая характеристика условий эксплуатации двигателей, работающих на жидком или твердом химическом топливе, а также ядерно-ракетных двигателей, использующих широкий круг веществ в качестве рабочего тела и делящиеся материалы в качестве источника энергии.

Пособие рассчитано на студентов вузов; оно может быть полезно также студентам техникумов, слушателям специальных учебных заведений, инженерно-техническим и научным работникам.

Табл. 83, ил. 49, список лит. 68 назв.

ПРЕДИСЛОВИЕ

За последние несколько лет в советской и иностранной периодической печати появилось значительное количество статей по топливам и рабочим телам ракетных двигателей. Одной из первых работ по топливам жидкостных ракетных двигателей, в которой систематически излагается и анализируется большой объем сведений по этой теме, является книга В. П. Глушко «Жидкое топливо для реактивных двигателей», изданная еще в 1936 г. После этой работы со значительным перерывом вышли в свет книги Н. Г. Чернышева «Химия ракетных топлив», Я. М. Паушкина «Химия реактивных топлив», несколько бро-шюр Е. П. Серегина, С. В. Силантьева и др. В 1970 г. вышла в свет книга С. Сарнера «Химия ракетных топлив» (перевод с английского).

В учебной литературе, касающейся ракетных двигателей, свойства топлив, как правило, рассматриваются весьма кратко, обычно в объеме одной главы или небольшого раздела курса.

Объем сведений по топливам и рабочим телам, необходимых специалисту для правильного понимания особенностей конструкции и рабочего процесса ракетного двигателя, в последние годы значительно возрос.

В настоящем учебном пособии приведены систематизированные данные по физико-химическим свойствам топлив и рабочих тел, элементы расчета, основы метода оценки и выбора топлива, а также краткая характеристика условий эксплуатации.

В зависимости от вида энергии, преобразующейся в РД в кинетическую энергию реактивной струи, различают химические ракетные двигатели, ядерные ракетные двигатели и электрические ракетные двигатели. Наибольшее распространение получили химические ракетные двигатели.

3

В книге рассмотрены жидкие химические топлива, твердые химические топлива, топлива ядерно-ракетных двигателей и их рабочие тела.

Автор выражает искреннюю благодарность А. А. Козлову, X. В. Кесаеву, В. А. Суворову, Р. М. Бень за ценные рекомендации и замечания, сделанные в процессе работы над рукописью.

ВВЕДЕНИЕ

Стремительное развитие ракетной техники, предсказанное К. Э. Циолковским в работах по ракетоплаванию, открыло новый, широкий путь научно-техническому прогрессу в области ракетного двигателестроения.

Проектирование, производство и нормальная эксплуатация ракетного двигателя невозможны без детального изучения характеристик рабочего тела, и топлива, на котором работает двигатель.

Вне зависимости от типа, схемы и характера процесса ракетный двигатель создает необходимую для движения силу тяги путем преобразования исходной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

В кинетическую энергию реактивной струи в ракетном двигателе могут преобразовываться различные виды энергии (химическая, ядерная, электрическая).

Ракетные двигатели, в которых используется химическая энергия, в настоящее время по конструкции и рабочему процессу обеспечивают очень большую тягу, но являются двигателями кратковременного действия.

В настоящее время разрабатываются проекты ракетных двигателей, работающих на энергии деления атомных ядер, строятся и испытываются опытные образцы.

Ядерно-ракетные двигатели обеспечивают большую тягу и способны к длительной работе.

Продолжительность работы этих двух групп двигателей зависит от запаса рабочего тела или топлива на борту ракеты.

Двигатели, использующие электрическую энергию в качестве первоисточника тяги, в настоящее время находятся в стадии освоения. Отличительной особенностью этих двигателей являются малые значения полной тяги, большая масса и способность к продолжительной работе при малом расходе рабочего тела.

В предлагаемом курсе рассматриваются рабочие тела и топлива для двух основных групп двигателей - химических и ядерных.

5

Для химических двигателей топливо рассматривается в жидком, твердом и смешанном фазовом состоянии.

За последние 10-15 лет накопился обширный материал по различным видам топлив и рабочих тел для ракетных двигателей. К сожалению, систематическому и подробному анализу свойств и энергетических показателей ракетных топлив и рабочих тел посвящено мало опубликованных работ. Систематизация ракетных топлив и их оценка была впервые сделана в курсе лекций В. П. Глушко, изданном в 1936 г. в Москве. К сожалению, этот курс больше не переиздавался.

Задачи настоящего учебного пособия заключаются в том, чтобы помочь учащимся и начинающим специалистам овладеть основами методики анализа и оценки свойств топлив и рабочих тел для ракетных двигателей.

Остановимся на терминологии и основных определениях, которые будут использованы при изложении материала учебного пособия. Основные рекомендации по терминологии и определениям для ракетных двигателей изложены в ГОСТ 17655-72. В дальнейшем будем придерживаться указаний этого стандарта, а в случаях, не предусмотренных стандартом, будем использовать терминологию или определения, принятые и широко используемые в отечественных изданиях.

Рабочее тело (РТ) - вещество, с которым происходят различные физико-химические преобразования внутри ракетного двигателя, составляющие его рабочий процесс.

Если рабочее тело является источником энергии, оно называется ракетным топливом. В самом общем случае энергия может подводиться к рабочему телу извне, например, в ядерно-ракетном двигателе тепло от тепловыделяющих элементов двигателя, где идет реакция разложения ядер, передается рабочему телу, которое нагревается и истекает из сопла с большой скоростью. При этом рабочее тело ракетного двигателя превращается сначала в жидкое конденсированное топливо (в баках), горящую смесь и продукты сгорания - пар или газ (в реакторе или камере ракетного двигателя) и затем в реактивную струю-газифицированных продуктов в сопле.

В электрических ракетных двигателях (ЭРД) рабочее тело -превращается в конденсированное вещество на поверхности источников тока (катоде или аноде), продукты газификации или дробления в камере реактивного двигателя и затем в продукты ионизации - реактивную струю.

Во всех случаях течение рабочего тела образует реактивную -силу и таким образом создает тягу двигателя. В качестве рабочего тела помимо топлива могут использоваться конденсированные сжиженные газы - водород, жидкий воздух, метан и др. Эти вещества должны обладать низкой молекулярной массой. Химическое ракетное топливо используется в жидкостных ра-

6

кетных двигателях (ЖРД), твердотопливных ракетных двигателях (РДТТ). Топливо разнофазного состояния (жидкое и твердое) применяется в двигателях смешанного ракетного топлива (ДСРТ).

Жидкое ракетное топливо (ЖРТ) - вещество или совокупность веществ в жидком состоянии, способных в результате экзотермических химических реакций образовывать высокотемпературные продукты, создающие реактивную силу при их истечении из ракетного двигателя.

В ракетном двигателе при применении жидкого топлива могут происходить реакции окисления, разложения и др.

Компонент жидкого ракетного топлива (КТ) - отдельно .хранимая и подводимая к жидкостному ракетному двигателю, отличающаяся по составу часть жидкого ракетного топлива. Компонент топлива может состоять из одного или из смеси индивидуальных химических веществ. В составе твердого ракетного топлива также можно различать компоненты - отдельные вещества, входящие в состав твердого топлива. Жидкое и твердое ракетные топлива могут быть одно-, двух-, трехкомпонентными (многокомпонентными).

Жидкое ракетное горючее (ЖРГ) - компонент жидкого ракетного топлива, окисляющийся в процессе горения.

Жидкий ракетный окислитель (ЖРО) - компонент жидкого ракетного топлива, служащий для окисления горючего в процессе горения.

Основное жидкое ракетное топливо (ОЖРТ) -жидкое ракетное топливо (ЖРТ), служащее для получения всей или основной доли тяги.

В ЖРД обычно применяется только одно топливо, которое используется и для вспомогательных целей, например, для пи-тания агрегатов насосной подачи, устройств для создания уп-равляющих усилий и моментов.

Вспомогательное жидкое ракетное топливо (ВЖРТ) - жидкое топливо, отличное от основного и применяемое только для вспомогательных целей, например, для образования продуктов газогенерации, которые выбрасываются помимо основной камеры сгорания.

Массовый расход топлива ЖРД - масса топлива, расходуемого при работе ЖРД в единицу времени.

Объемный расход топлива ЖРД - объем топлива, расходуемого при работе ЖРД в единицу времени.

Соответственно можно рассматривать массовый расход окислителя или горючего ЖРД.

Удельный импульс тяги ЖРД - отношение тяги ЖРД к расходу топлива.

Глава 1

источники энергии

•

1.1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

В современных ракетных двигателях кинетическая энергия струи, истекающей из сопла и обеспечивающей тягу двигателя, может быть получена в результате преобразования химической, атомной (ядерной), электрической или других видов энергии.

Наибольшее практическое значение имеют ракетные двигатели, использующие химическую энергию топлива.

Двигатели, работающие на жидком, твердом и разнофазном химическом топливе, могут применяться на ракетных установках различного назначения. Химическое топливо широко используют и для двигателей ракет, обеспечивающих запуск искусственных спутнико;В земли, а также направляемых к Луне, Венере, Марсу и в глубины Солнечной системы. В ракетных двигателях, использующих химическую энергию жидкого или твердого топлива, в камере сгорания протекает реакция горения (или раз-ложения). Выделяющееся при этом тепло нагревает продукты реакции - газы, и они, расширяясь, истекают через сопло двигателя с большой скоростью, создавая тягу.

В ядерно-ракетных двигателях тепло выделяется в результате деления ядер. Рабочее тело, протекающее через тепловыделяющие элементы реактора - камеры, воспринимает это тепло, расширяется и истекает через сопло с большой скоростью, создавая тягу.

В электротермических двигателях вследствие взаимодействия заряженных частиц и магнитного поля происходит нагрев ионизированного газа - плазмы до очень высоких температур. При расширении и истечении плазмы из сопла за счет кинетической энергии струи создается тяга двигателя.

Во всех рассмотренных случаях химическая, ядерная или электрическая энергия превращается в тепловую и затем в кинетическую энергию газового потока. Поток истекающих из сопла газов - продуктов химической реакции или специального рабочего тела - теплоносителя, наконец, поток плазмы или ионов, создает тягу ракетного двигателя.

8

Такова общая схема преобразования энергии в ракетных двигателях, использующих химическую, ядерную или электрическую энергию в качестве первоисточника.

В настоящем учебном пособии рассматриваются источники энергии только химических и ядерно-ракетных двигателей.

1.2. ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ХИМИЧЕСКИХ.ДВИГАТЕЛЕЙ

Химические источники тепловой энергии, использующиеся в ракетных двигателях жидкого и твердого топлива, весьма разнообразны. Но, во всех случаях можно считать, что тепловая энергия выделяется в результате химической реакции, протекающей между компонентами топлива по схеме: компоненты топлива, продукты сгорания + тепло. Химические реакции, протекающие в ракетных двигателях, в зависимости от величины выделяющейся энергии можно разделить на три основные группы.

1. Реакции разложения [35]. Это группа реакций «с наименьшим энергетическим уровнем», в среднем около 2,515-3,35 МДж/кг топл. (600-800 ккал/кг топл.).

Ряд химических веществ, образующихся с поглощением энергии (эндотермические вещества), при последующем разложении выделяет часть или всю энергию, затраченную на их образование. К таким веществам относятся ацетилен, азид свинца, азид аммония, окись азота, озон, перекись водорода, гидразин, гремучая ртуть и др. Большинство этих веществ взрывоопасно и в ракетной технике из-за этого не применяется.

Техническое применение в ракетной технике находят Н₂О₂ -перекись водорода, N₂H₄ - гидразин, (СН₃)₂N-NН₂ - диметилгидразин и др. Ниже приведены реакции разложения этих веществ.

Реакция развивается в результате контакта с катализатором или воздействия теплового импульса.

Приведенную схему реакции разложения диметилгидразина (ДМГ) надо рассматривать как одну из возможных частных форм этой реакции. Экспериментально установлено, что разложение ДМГ зависит от температуры и протекает в очень сложной форме сопряженных реакций с различным количественным

9