Штехер М. С. - Топлива и рабочие тела ракетных двигателей, страница 9

В практическом отношении полученное уравнение имеет тот
недостаток, что в нем много переменных величин:dp_s/dT; _жидк; _пар; r.

Все эти параметры существенно зависят от физикохимических свойств данного топлива или его компонентов и особенно от температуры. Однако, эти зависимости можно найти, если принять ряд допущений. Полагая, что _жидк очень мало по сравнению с _пар (для одного моля), величиной _жидк можно пренебречь, а величина _пар по характеристическому уравнению может

быть представлена как _пар=RT/p_s

Т
огда уравнение (1.43) можно записать в таком виде:

47

Затем, полагая, что r не зависит от температуры и ее можно за­менить средним постоянным значением г, после интегрирования

уравнения (1.44) получим

Константу интегрирования можно найти, если записать уравне­ние (1.45) для двух значений температур и давлений на кривой упругости пара:

Последнее уравнение пригодно для практических расчетов, однако надо учесть некоторую неточность результатов, так как вместо истинной скрытой теплоты испарения для заданных тем­ператур использовали ее среднее значение. Если упругость пара должна быть найдена в широком интервале температур, исполь­зовать среднее значение скрытой теплоты испарения нельзя.

Рассматривая r как функцию температуры, запишем такую зависимость:

Подставляя это в уравнение (1.44) и интегрируя его, получим

где r₀ — скрытая теплота испарения для начальной температуры Т₀. Выражение (1.47) можно упростить и привести к удобному для практических расчетов виду, если принять теплоемкости с_р пар и с_{р жидк} постоянными в определенных пределах температур, тогда

В этом уравнении в константу С' входят все постоянные, она легко определяется по методу, указанному для уравнения (1.45).

Уравнение (1.48), простое и удобное для практических расчетов, обладает относительно высокой точностью по сравнению с уравнением (1.47).

В тех случаях, когда для заданного топлива или его компонентов не известны ни теплота испарения, ни разность теплоемкостей в заданных пределах температур, для точного определения кривой упругости пара рекомендуется эмпирическим путем или по справочным данным найти три точки кривой. По этим

48

данным и уравнению (1.48) можно рассчитать кривую упругости пара или определить скрытую теплоту испарения в широких пределах температур.

В справочном материале настоящего пособия приводятся табличные данные и графические зависимости упругости пара от температуры для ряда компонентов топлив.

На рис. 1.7 приведены характерные кривые упругости пара в зависимости от температуры для дихлорэтана, ацетона и этилового спирта.

Удельное газообразование

Удельным газообразованием называется количество газов - продуктов сгорания (м³), отнесенное к одному кг сгоревшего топлива (м³/кг). Величина удельного газообразования может быть легко найдена на основе характеристического уравнения p=RT , откуда

Удельный объем газов, найденный по характеристическому уравнению, равен удельному газообразованию - газовыделению в данной реакции. Для удобства сравнения необходимо, чтобы давление и температура газов были взяты при нормальных условиях _RT₀/p₀ , где T₀ - 288 К, а p₀= 1,033 кгс/см².

Величина удельного газообразования представляется очень удобным параметром для сравнения различных топлив. Если объем газов, соответствующий удельному газообразованию, пропустить через площадь сопла за одну секунду, то скорость газов будет наибольшей при наибольшем значении газообразования. Топливо, имеющее наибольшее удельное газообразование в условиях ракетного двигателя, обеспечит наибольшую скорость истечения газов из сопла, и следовательно, наибольший удельный импульс тяги:

Используя характеристическое уравнение можно также показать, что удельное газообразование пропорционально газовой

49

п
остоянной и обратно пропорционально молекулярному весу продуктов сгорания:

Коррозионная активность компонентов и коррозионная стойкость металлов

Большинство компонентов топлива являются коррозионно-активными веществами. Коррозию металлов и сплавов конструкционных материалов следует рассматривать как результат взаимодействия среды и металла.

Коррозионное разрушение металлов всегда начинается с поверхности.

Разрушенный металл, превращаясь в химические соединения (гидраты окислов или окислы), образует продукты коррозии, которые обычно формируются на поверхности металла. Существуют виды коррозии, которые нельзя обнаружить простым визуальным наблюдением. Это подповерхностная коррозия, которая часто сопровождается образованием подповерхностных -полостей - каверн. Еще более опасна межкристаллитная коррозия, при которой на поверхности кристаллов образуются окислы и таким образом нарушается прочность металла. Коррозионная стойкость металла - свойство, обратное по своему действию коррозионной активности компонентов топлива. Понятие коррозионной стойкости материала является относительным. Металл коррозионностойкий в одних условиях может быть нестоек в других условиях или с другими компонентами топлива.

Коррозионные процессы происходят на границе раздела металл - среда, и следовательно, они относятся к разряду гетеро-генных реакций, т. е. реакций, происходящих на границе раздела двух фаз.

Все коррозионные процессы можно разделить на два вида: химическая коррозия и электрохимическая коррозия.

Химическая коррозия наблюдается при действии на металлы газов и жидких неэлектролитов.

Электрохимическая коррозия возникает при действии на металлы жидких электролитов, т. е. растворов, содержащих ионы, обычно это водные растворы солей, кислот и щелочей. Вследствие электрохимической коррозии происходит ржавление стали, растворение металлов в кислотах и др. Электрохимическая коррозия представляет собой процессы, при которых разрушение металла сопровождается переносом электрических зарядов.

Интенсивность электрохимической коррозии зависит, в частности, от концентрации электролита, его температуры, от механической и термической обработки металлов и сплавов.

Электрохимическая коррозия может происходить при погружении металла в жидкость и в жидких пленках (атмосферная

50

коррозия или влажная коррозия), В случаях коррозии в атмосфере электролит на металле образует тонкую пленку влаги и коррозия идет при воздействии на металл именно этого жидкостного слоя. При этом металл разрушается особенно эффективно.

Существует несколько видов коррозионных разрушений:

1. Сплошная коррозия, когда коррозия охватывает равномерно всю поверхность детали.

2. Местная коррозия или коррозия пятнами - коррозия в виде точек, язв, пузырьков;

3. Интеркристаллитная коррозия, когда процесс коррозии происходит на поверхностных границах кристаллов, составляющих металл. В этом случае продукты коррозии как бы заключены внутри металла и внешний вид изделия может не изменяться. Интеркристаллитная коррозия - один из очень опасных видов коррозии, которому особенно часто подвержены алюминиевые сплавы.

4. Подповерхностная коррозия, когда коррозионный очаг скрыт под поверхностью металла и соединен узким ходом, по которому продвигалось действие коррозионного агента. Этому виду коррозии также чаще других подвержены алюминиевые сплавы. Металлы часто одновременно подвергаются различным видам коррозионного разрушения.

Коррозионная стойкость металла или коррозионная активность компонентов топлива обычно оцениваются по результатам специальных испытаний, которые ставятся с целью оценки влияния компонента на металл конструкции. Универсального метода определения коррозионной стойкости нет. Метод должен соответствовать поставленной цели, должен быть прост. Обычно все испытания делятся на три большие группы:

1. Лабораторные испытания - испытания образцов в лабораторных условиях, их программа и возможности могут быть очень широкими.

2. Полевые испытания - испытания образцов металла в естественных эксплуатационных условиях, программа этих испытаний обычно составляется специально по условиям эксплуатации.

3. Натурные испытания, т. е. испытание машин, агрегатов и целых установок в сложных условиях их эксплуатации с использованием натурных компонентов топлива.

Коррозионную стойкость металла или активность компонента можно характеризовать качественно и количественно.

Качественная характеристика - это фотографирование, зарисовка или краткое описание поверхности металла или детали, подвергавшейся действию активного компонента топлива, производится даже при самых тонких количественных определениях.

Количественная характеристика стойкости металла или активности компонента топлива обычно дается по весовым показателям.

51

Для того чтобы сравнить различные материалы в результате коррозионных испытаний, можно оценить изменения в весе испытуемого образца до и после испытания и отнести полученную разницу в весе к первоначальной площади поверхности образца и ко времени его пребывания в активной среде.

Токсичность топлив

Большинство топлив ракетных двигателей представляет собой токсичные, т. е. ядовитые отравляющие вещества.

Установлены предельно допустимые концентрации ядовитых веществ в воздухе рабочих помещений, которые даже при длительном (6-8 ч) и непрерывном воздействии не оказывают вредного влияния на здоровье работающих.

Сокращением срока пребывания в атмосфере, зараженной ядовитыми газами или парами компонентов топлива, предельная допустимая концентрация может быть несколько повышена, так, например, для окиси углерода СО, если время пребывания не более одного часа разрешается до 0.05 мг/м³ воздуха, а для времени пребывания в 15-20 мин может достигать даже 0,2 мг/м³. Однако надо иметь в виду, что ряд веществ с особенно высокой токсичностью, таких как фтор, окислы азота, производные фтора и хлора и др., не допускает даже незначительных отклонений от установленных норм.

Степень токсичности различных веществ различна и обычно оценивается так называемой допустимой концентрацией ядовитого вещества в воздухе (мг/л). Иногда степень токсичности сравнивается по так называемой летальной дозе (LD₅₀) - это такое количество ядовитого вещества в миллиграммах на 1 кг веса живого организма, которое будучи введено в организм приводит к 50%-ной смертности подопытных животных.

Возможны несколько путей попадания отравляющего вещества в человеческий организм. Результаты токсикации - воздействия ядовитого вещества существенно различны в зависимости от пути проникновения.

Время, которое протекает от момента попадания в организм токсичного вещества до момента смертельного поражения, в медицине называется «летальным временем» и обозначается L. Чем оно больше, тем больше надежда на успех борьбы с отравлением. Летальное время существенно изменяется в зависимости от пути поражения. На практике различают пять основных путей попадания токсичного вещества в организм.

1. Внутривежхчюе отравление - попадание отравляющего вещества в вены, в кровь. Смерть наступает наиболее быстро, летальная доза и летальное время минимальны.

Обычно эту дозу и время принимают за единицу измерения для сравнения с другими случаями. На практике внутривенная токсикация возникает при поражении обслуживающего персона-

52

ла при взрывах двигателей или агрегатов топливопитающих систем.

2. Внутрибрюшное отравление - в результате заглатывания, летальная доза и время могут быть в 2-8 раз больше, чем в первом случае. Внутрибрюшное отравление может быть в результате умышленного приема внутрь с целью опьянения и может явиться следствием случайного попадания струи жидкости в полость рта из лопнувшей трубы, шланга и т. д.

3. Отравление через дыхательные пути - случай, наиболее часто встречающийся. Обычно летальная доза и время при отравлении через дыхательные пути в 3-7 раз больше, чем в первом случае, но для некоторых газов, таких как фтор, доза может быть мала, а смерть наступает мгновенно. Поэтому при работе с отравляющими веществами воздушная среда должна контролироваться особенно тщательно и в полном соответствии с инструкциями.