Диссертация (Углеводородное горючее на основе керосина с присадками для повышения энергетической эффективности ЖРД)

Федеральное государственное бюджетное образовательноеучреждение высшего профессионального образования«Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)»на правах рукописиТашев Виталий ПетровичУГЛЕВОДОРОДНОЕ ГОРЮЧЕЕ НА ОСНОВЕ КЕРОСИНА СПРИСАДКАМИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙЭФФЕКТИВНОСТИ ЖРДСпециальность 05.07.05«Тепловые, электроракетные двигатели и энергоустановки летательныхаппаратов»Диссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наук, профессорКозлов Александр АлександровичМосква - 20142СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 4ГЛАВА 1.

ОБЗОР РАБОТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ПРИСАДОК К ГОРЮЧЕМУДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ............................................... 121.1 Использование растворов высокомолекулярных полимеров для повышенияэнергетической эффективности ЖРД .................................................................... 121.2 Исследовательские работы по созданию гиперголического топлива ............ 221.3 Выводы по главе................................................................................................

30ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВРАСТВОРОВ ПИБ В КЕРОСИНЕ ............................................................................ 332.1 Объекты исследования ...................................................................................... 332.2 Методы проведения исследований...................................................................

342.3 Обобщенные результаты исследований ........................................................... 362.3.1 Результаты определения показателей качества по ТУ 38.001244-81 ....... 362.3.2 Результаты испытаний на сохраняемость .................................................. 412.3.3 Результаты измерения давления насыщенных паров ................................ 412.3.4 Результаты определения поверхностного натяжения ............................... 422.3.5 Результаты определения теплотехнических характеристик ..................... 422.3.6 Результаты хромато-масс-спектрометрического исследования. ..............

432.4 Выводы по главе................................................................................................ 45ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДОБАВКИПИБ НА ПОЛНОТУ СГОРАНИЯ ТОПЛИВА ......................................................... 473.1 Исследование влияния добавки полиизобутилена к керосину на мелкостьраспыливания .......................................................................................................... 473.1.1 Описание установки для исследования распыла .......................................

503.1.2 Лазерный измеритель дисперсности распыла капель ............................... 523.1.3 Методика проведения испытаний и результаты измерений ..................... 553.2 Исследование влияния добавки полиизобутилена к керосину на полнотусгорания топлива ..................................................................................................... 653.2.1 Описание огневого стенда для испытаний ЖРДМТ .................................

653.2.2 Описание конструкции смесительной головки ......................................... 723.2.3 Результаты огневых экспериментов и теоретических расчетов ............... 7633.3 Выводы по главе................................................................................................

86ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ КЕРОСИНА СПИРОФОРНЫМИ ДОБАВКАМИ ............................................................................ 874.1 Результаты термодинамического расчета горения и истечения топлива ВПВ– керосин с пирофорными добавками....................................................................

924.2 Лабораторные исследования по самовоспламенению топливной парыкеросин-ВПВ ........................................................................................................... 964.3 Результаты огневых испытаний РД МТ на самовоспламеняющихсяэкологически чистых компонентах ...................................................................... 1014.4 Выводы по главе.............................................................................................. 104ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................................ 106Список сокращений .................................................................................................

108СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ................................................ 1094ВВЕДЕНИЕАктуальность исследований. Одним из главных и весьма сложныхвопросов при проектировании ракет-носителей (РН) является выбор компонентовтоплива (КТ). Несмотря на обилие химических веществ, пригодных дляиспользования в качестве компонентов ракетного топлива (КРТ), далеко не все изних нашли применение в ракетной технике [1].

Кроме высокой энергетики, КРТдолжныотвечатьмножествуразнообразных,поройпротиворечивых,экономических, эксплуатационных, экологических и иных требований [2].Экологически чистые и высокоэнергетические топливные пары, такие как«жидкий кислород – жидкий водород» (ЖК–ЖВ), «жидкий кислород –сжиженный природный газ» (ЖК–СПГ) наиболее перспективные топлива длябудущего применения. Однако криогенные компоненты ЖВ и СПГ пока ещевесьма дороги и их эксплуатационные показатели не высоки. В реальныхусловиях ракетчики предпочитают использовать компоненты безопасные ипростые в эксплуатации, а также те, для которых уже налажена инфраструктура.Из-за высокой токсичности и дороговизны производство топлива «гептил – амил»прекращено и не рассматривается при проектировании перспективных РН.Основным углеводородным горючим для ракетных двигателей на сегодняшнийдень остается керосин.Как ракетное горючее, в паре с ЖК керосин широко используется для однойили нескольких ступеней многих РН: все семейство Р-7 (СССР/Россия), «Зенит»(СССР/Украина), «Энергия» (СССР), Saturn-I/IB/V, Delta I-III, Atlas (США), N1,N2,H1(Япония).Китайтакжепланируетиспользованиекеросинавперспективном семействе РН модульной конструкции [3].На первый взгляд топливо «керосин – ЖК» достигло высокой степенипроработки, и дальнейших перспектив повышения энергетических возможностейЖРД на этих компонентах не просматривается.

Тем не менее в 1970–1980-х годаххимиками было найдено решение для увеличения энергетических показателейкеросина. Было разработано и передано в эксплуатацию несколько видов5синтетическогогорючего.Однимизтакихгорючихбыл«Синтин»-синтетическое высокоэнергетическое углеводородное ракетное топливо. Почтиединственный вид применения — использование в «синтиновой» модификацииразгонного блока «ДМ», для увеличения полезной нагрузки. Также синтиниспользовался на ракете-носителе «Союз-У2» (его использование позволилоувеличить полезную нагрузку на 200 кг) [4]. В отличие от большинства другихвариантов высокоэффективного углеводородного топлива, синтин являетсяхимически устойчивым и может храниться неограниченно долго.

Однако, такоегорючее отличается крайней сложностью технологии получения, поэтому дорогов использовании и практически не применяется. Кроме того, после длительногоисследования была обнаружена повышенная токсичность этого горючего.Производство синтина было прекращено в 1996 году.Еще одной альтернативой классическому керосину является УВГ, известноепод названием «боктан».

Это горючее было разработано в результате совместныхусилий Института нефтехимического синтеза имени А.В.Топчиева и ВсесоюзногоНИИ органического синтеза. Новое горючее было близко по своей структуре ксинтину,ноболеепредпочтительноепопоказателямтоксичности[5].Перспективность применения горючего боктан оценили такие организации какНПО «Энергомаш», РКК «Энергия», однако из-за отсутствия производственнойбазы в настоящее время боктан не используется.

Совместно с ВНИИОС ведетсяразработка технического проекта создания на промышленной основе этого новогогорючего.Проводимые в начале 90-х годов прошлого столетия испытания в КБХМнового горючего, разработанного ГИПХ под названием «Омар», показали сильноезакоксовывание продуктами сгорания смесительных элементов двигателя иневозможность повторных запусков [6]. Попытки работы в импульсном режимеиногда приводили к взрывам в полости КС. В итоге стало понятно, что «Омар» негодится для применения в ДМТ и двигателях многократного включения. Крометого, показатели токсичности нового горючего не обнадеживали.