Штехер М. С. - Топлива и рабочие тела ракетных двигателей, страница 4

3. Значительной скрытой теплотой парообразования. При более высокой скрытой теплоте парообразования охлаждающая жидкость закипит при более высокой Т и будет способна отнять от стенок большее количество тепла.

4. Наиболее высокой температурой кипения, что обеспечивает большую надежность охлаждения без вскипания жидкости в охлаждающем тракте.

5. Высокой химической стойкостью против разложения при высокой температуре в охлаждающем тракте двигателя, что обеспечивает надежность охлаждения двигателя жидкостью с одинаковыми, принятыми в расчете, физическими свойствами.

6. Наименьшей возможной вязкостью, так как при высокой вязкости резко растут гидравлические сопротивления, увеличи­вается давление насосов, что ведет к увеличению веса турбонасосного агрегата (ТНА).

7. Наименьшим коэффициентом поверхностного натяжения, что способствует лучшему растеканию по поверхности охлаждающей жидкости и исключает возможность образования паровых пузырей, вызывающих местные перегревы и точечные прогары стенок камеры.

III группа. Требования к топливу как к веществу, находящемуся в эксплуатации вне двигателя

Технические требования третьей группы предъявляют к топливу или его компонентам, находящимся вне двигателя, на складе или в баках ракеты. Эти требования определяются условиями, транспортировки и хранения топлива, условиями взаимодействия с окружающей средой, с обслуживающим персоналом, с конструкционными материалами, и указывается стратегическая значимость топлива в экономике страны.

21

Топливо или его компоненты должны обладать:

1. Высокой стойкостью физико-химических свойств при хранении при изменяющихся внешних условиях - температуре и давлении окружающей среды, интенсивности освещения, вибрации и т. д.

2. Высокой химической нейтральностью по отношению к конструкционным материалам систем хранения на складе, систем питания двигателя на ракете, обеспечивающей отсутствие коррозии металла.

3. Низкой температурой застывания, что гарантирует жидкофазное состояние топлива в системах хранения, питания и транспортировки двигателя. Исключается возможность загустевания или застывания топлива в трубах и, следовательно, затруднения при запуске или остановке двигателя в условиях значительного понижения температур окружающей среды.

4. Наибольшей пожаробезопасностью в условиях эксплуатации и хранения топлива.

5. Наибольшей взрывобезопасностью, так как склонность к взрыву при воздействии различных импульсов, например меха-нического удара, теплового или светового импульса, усложняет условия эксплуатации, требует более квалифицированного пер-сонала и т. д.

6. Наименьшей токсичностью, в противном случае требуется специальная подготовка обслуживающего персонала, постоянный контроль за поведением и распространением компонентов в окружающей среде. Инструкция по обслуживанию токсичных топлив должна выполняться с абсолютной точностью.

1.6. СОСТАВ КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВА

Для термохимических расчетов рабочего процесса жидкостного ракетного двигателя существенное значение имеет состав топлива, и особенно состав продуктов сгорания.

По параметрам продуктов сгорания, истекающих из сопла двигателя, определяются основные показатели двигателя удельный импульс, давление и температура газов на срезе сопла и др.

По составу топлива определяются показатели рабочего процесса в камере сгорания - температура T_к, давление р_к, соотношение между компонентами  и  ( - отношение массы окислителя к единице массы горючего).

Расчет можно проводить на основе условной химической формулы топлива или стехиометрических уравнений. В том случае, когда состав топлива и продуктов сгорания сложен, лучше использовать условную химическую формулу. Рассмотрим конкретные примеры.

22

1. Топливо задано химической формулой

Молекулярный вес элементов известен: водорода 2, фтора - 38. Относительная массовая доля элемента в топливе оп-ределяется по формуле

где g_i - относительная массовая доля i-го элемента (обозначается химическим символом заданного вещества);

A_i, - атомная масса г-го элемента;

Z_i - число атомов i-го элемента в молекуле заданного химического вещества (топлива);

_i - молекулярная масса топлива, в данном случае водорода и фтора в сумме. Тогда

2. Топливо, сложное по составу, задается условной химической формулой А_aВ_bС_с или С_аН_nО_bN_d

а число атомов элементов, входящих в условную химическую формулу, - по следующим соотношениям:

Здесь А, В, С - элементы, из которых состоит топливо (иногда элементы обозначают их химическими символами: С - углерод, Н - водород, О - кислород и т. д.); а, d, с - число атомов эле-ментов. Если условная химическая формула записывается длч одного моля вещества (топлива),то ее называют молекулярной химической формулой. Она удобна для количест-венных расчетов. Если известен массовый состав элементов топ-лива (в %), а молекулярная масса и химическая формула не известны, то условную химическую формулу можно рассчитать по так называемой условной молекулярной массе

Здесь m_А, m_B, ..., m_K - атомные массы элементов.

23

Пример. В состав керосина (С_aН_bО_к) входит 86% углерода, 13% водорода и 1% кислорода. Полагая условно молекулярную массу керосина равной m_т = 100, по принятым соотношениям найдем

для углерода а=(g_c/m_c)*100=(0,86/12)*100=7,15;

для водорода b=(g_H/m_H)*100=(0,13/1)*100=13,0;

для кислорода k=(g_O/m_O)*100=(0,01/16)*100=0,0625.

Тогда условная химическая формула керосина может быть записана в виде С_7,15Н_13,0О_0,0625.

На практике очень широко принят способ расчета массового состава не на моль, а на 1 кг топлива или компонента топлива. Для жидких ракетных топлив, где широко применяются индивидуальные химические элементы или их простые соединения, этот способ имеет безусловные преимущества.

Пример. В состав керосина входит 86,0% С и 14% Н, найдем его условную химическую формулу. Если

то искомая условная химическая формула для керосина будет записана в виде С_0,715H_0,14.

Если топливо или его компонент представляет собой механическую смесь элементарных химических веществ, относительная массовая доля любого элемента может быть найдена по формуле такого вида:

где g_i - относительная массовая доля г-го элемента в смеси топлива или его компонента;

g_ik - относительная массовая доля 1-го элемента в k-м компоненте (в смеси топлива);

g_k.- относительная массовая доля k-го компонента в смеси. Для проверки расчетов по этой формуле пользуются условием

Например, нужно найти состав (по массе) окислителя, состоящего из 96% азотной кислоты (НNО₃) и 4% воды (Н₂О).

24

Молекулярную массу азотной кислоты найдем из условия

где _H, _N, _O - атомные массы водорода, азота и кислорода; g_H, g_N, g_O - число атомов элемента в соединении;

_HNO3 = 1*1 + 14*1 + 16*3 = 63 (кг/моль).

Относительные массовые доли элементов определяются соответственно:

В результате проверки получим

Молекулярная масса воды

Относительные массовые доли элементов в воде:

Теперь найдем массовый состав элементов в компоненте (в окислителе 96% НNО₃ + 4% Н₂О). Относительные массовые доли каждого компонента в окислителе известны:

Запишем формулу

В результате проверки получим

25

Теоретическое и фактическое количество окислителя в составе топлива

Физико-технические свойства топлива зависят от соотношения между горючим и окислителем.

В реактивных двигателях реакция между горючим и окисляющим компонентом топлива может протекать при различном их соотношении. Обычно химическая реакция описывается специальным уравнением. Если осуществляется полное окисление углерода до CO₂ и водорода до H₂O, считают, что реакция удовлетворяет стехиометрическому составу топлива.

В этом случае уравнение химической реакции имеет наиболее простой вид, или стехиометрическую форму и очень удобно для количественных расчетов. Стехиометрический состав топлива отвечает теоретической форме уравнения химической реакции или теоретическому случаю сгорания.

Для определения теоретического количества окислителя, требующегося для сжигания горючего, надо знать стехиометрическое уравнение химической реакции. Компоненты топлива обычно известны, а стехиометрическое уравнение реакции выясняется по химическим справочникам или таблицам.

Метод количественных расчетов довольно прост и может быть легко усвоен после рассмотрения ряда примеров.

Если химическим символом углерода С обозначить относи-тельную весовую долю углерода в любом топливе, то уравнение будет записано в виде:

Пример 1. Горение углерода в кислороде описывается стехиометрическим уравнением С + О₂=СО₂. Для определения необходимого количества окислителя, используя известные значения молекулярного веса веществ, входящих в реакцию, запишем уравнение в виде:

Второй член левой части этого уравнения в общем виде определяет требующееся количество кислорода - окислителя для сжигания С кг углерода - горючего.