Диссертация (Углеводородное горючее на основе керосина с присадками для повышения энергетической эффективности ЖРД), страница 13

При добавлении высокомолекулярного полимера86изменяется молекулярная масса всего раствора, что приводит к уменьшениюкоэффициента теплопроводности.Ракетный керосин состоит из множества индивидуальных веществ, помногим из которых нет данных в литературе [54]. Поэтому для определениямолекулярной массы горючего использовалась условная формула керосина RP-1 C11,7H22,8, что дает молекулярную массу 163,2 кг/моль [55]. Несложнымивычислениями по формуле (18) с использованием данных теплопроводностей,полученных во второй главе, можно определить, что молекулярная массакеросина с добавкой ПИБ увеличилась на ~22%.3.3 Выводы по главе1.

Полимерные присадки ухудшают распыл. Угол факела уменьшаются, каплизаметно укрупняются. В случае использования жидкости с большой вязкостью инебольшой площадью сопла течение в центробежной форсунке переходит вструйное, с незначительной тангенциальной скоростью.2. Коэффициент расхода центробежной форсунки с увеличением вязкостиувеличивается для небольших степеней закрытия форсунки.3. Для мелких каналов увеличение вязкости отрицательно сказывается напропускной способности форсунки.

Перепад давления на форсунке с добавлениемполимера увеличивается для форсунок с диаметром сопла dc˂0,7 мм.4. В газогенераторном режиме с использованием керосиновой завесы добавкаполимера ПИБ не оказывает влияния на полноту сгорания топлива. Различия вполученных показаниях φβ не превышают 0,5%, что лежит в пределахпогрешности измерений. Плохое качество распыла компенсируется организациейсмешения в перекрестном газовом потоке.5. При введение в керосин полимерной присадки (увеличении молекулярноймассы горючего) уменьшается коэффициент теплопроводности жидкости. Дляслучая использования керосиновой завесы происходит снижение тепловыхпотоков в стенку КС.87ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ САМОВОСПЛАМЕНЕНИЯ КЕРОСИНА СПИРОФОРНЫМИ ДОБАВКАМИНегативное воздействие ракетно-космической техники на окружающуюприродную среду проявляется через следующие этапы её эксплуатации:- проливы жидких компонентов топлива при их транспортировке, заправкеракет и падении отделяемых ступеней;- тепловое и газовое загрязнение стартовых площадок;- разрушение озонового слоя Земли от выбрасываемых продуктов сгоранияДУ 1 и 2 ступеней;-засорение околоземного пространства отработанными аппаратами и ихфрагментами.Очевидно, что это негативное воздействие зависит в первую очередь отсвойств используемых топлив и суммарного грузопотока в космос.

Поэтомуосновными направлениями по снижению этого воздействия являются:- переход на экологически чистые компоненты топлива;- многократное использование транспортных космических систем.В Таблице 15 приведены свойства известных экологически чистых топливприменительно к жидкостным ракетным двигателям малой тяги (ЖРД МТ),спецификой которых является работа в импульсном режиме. Параметрытрадиционного самовоспламеняющегося топлива (АТ+НДМГ) приведены длясравнения.Таблица 15. Сравнительная характеристика экологически чистых топливдля ЖРД МТ.

Рк=1МПа, ε=1000, α=0.9.ТопливоКm0О2г+СН4г4О2г+С10Н203,4О2г+С2Н6О2,087Н2О2+С10Н207,285Н2О2+СН48,5Н2О2+ С2Н6О4,434N2O4+(CH3)2N2H2 3,06Кm3,63,061,8736,57,6542,754ϱт кг/м3834,71040987,61294102412251187IУд.,с.401,6372,1315,96336,88344,5327,8346,72ϱо,кг/м31140114011401420142014201442ϱг,кг/м3425820790820425790790ΔV м/c662061345009555356785009563688где- приращение скорости ЛА:(20)где, Iуд - удельный импульс м/с,n0=P/G0 ϱт – плотность топлива,ϱ0 – плотность окислителя,ϱг – плотность горючего,P – тяга ДУ,G0 – стартовый вес ЛА,θ – угол местного тангажа,Gт/G0=0,845(усредненопотремразгоннымблокам:«Бриз»М,«Фрегат»,КВРБ).Таблица 16. Критические параметры некоторых компонентов топлива.КомпоненттопливаО2Н2О2CH4N2O4Критическаятемпература,ºС-218,8457-82,1158,2Температуракипения, ºК90 (-183 С)423,3(150,2 С)112 (-161,5С)294,3( 21,15С)Критическоедавление, атм50,1421445,899,96Анализ результатов расчетов позволяет выбрать наиболее перспективноетопливо для ЖРД МТ исходя из комплекса требований – экологичности,эффективности (ΔV,ρт), эксплуатационных свойств (Ткип).Криогенныекомпоненты(О2ж,СН4ж)требуютгазификациидляиспользования в качестве исполнительных органов РСУ, что усложняет иутяжеляет ДУ.

Наиболее перспективным - высококипящим долгохранимым иэкологически чистым топливом - остается топливо ВПВ-керосин, незначительноуступающее по эффективности токсичному топливу НДМГ + N2O4.Одним из важных свойств ракетного топлива является воспламеняемостьпри контакте окислителя и горючего, что особенно важно при импульсном89режиме работы ЖРД МТ. Однако все экологически чистые топлива не являютсясамовоспламеняющимися.Применительно к топливу ВПВ + керосин известны два способавоспламенения: электроискровой и предварительное разложение ВПВ накатализаторе с последующим впрыском керосина в горячие продукты разложения[63,63,64].

Для воспламенения жидких керосина и кислорода в маршевыхдвигателях (РД-170, РД-180, РД-191и др.) используется пусковое горючее – смесь(С2Н5)3AL+(C2H5)3B. Одноразовый запуск предусматривает размещение ампулыпускового горючего на одноименной магистрали перед камерой сгорания игазогенератором.Длядвигателеймногократногозапускатребуетсявытеснительная система подачи пускового горючего. Использование пусковогогорючего для воспламенения основных компонентов топлива усложняет системупитания ДУ и совсем не годится для импульсного режима работы ЖРД МТ.Пусковое горючее (ПГ) двигателей РД-170, РД-180 и РД-191 обеспечиваетнадежное воспламенение при контакте с газообразным кислородом.

Естественнопредположить, что добавки ПГ к керосину могут организовать его воспламенениепри контакте с ВПВ даже при её частичном разложении и выделении реакционно- активного кислорода.Пусковоегорючее-жидкоеракетноегорючее,служащеедляинициирования горения в камере сгорания ракетного двигателя, работающего наосновномнесамовоспламеняющемсятопливе,приобычной(вусловияхэксплуатации) температуре.

Для инициирования горения в участок трубопровода(покоторомуподаётсягорючеевкамерусгорания),примыкающийнепосредственно к ракетному двигателю, монтируется ампула, заполненнаяпусковым горючим. При запуске пусковое горючее вытесняется основнымгорючим и первым подаётся в двигатель. При контакте пускового горючего сокислителем ракетного топлива происходит его самовоспламенение и затемзагорание основного топлива. К пусковому горючему предъявляются требования:способность активно воспламеняться, безопасность, стабильность, совместимость90с конструктивными материалами и др.

Впервые пусковое горючее былоприменено в газодинамической лаборатории в 1933 году [65].В работе [66] в качестве пускового горючего рассматривалась небольшаядобавка (3%) к керосину ацетилацетоната марганца (Mn(C5H7O2)3). Длярастворения порошкообразного ацетилацетоната в керосине потребовалосьрастворить его предварительно в ксилидине, поскольку непосредственно вкеросине он не растворяется.

Однако при хранении на свету ацетилацетонатмарганца выделяется из раствора (керосин+ксилидин с ацетилацетанатоммарганца) в виде мелких кристаллов и под действием гравитации оседает на дноемкости, что усложняет использование данной добавки для организациисамовоспламенениятоплива.Крометогорезультатыпроведенныхтермодинамические расчёты показывают невыгодность использования даннойдобавки.Таблица 17. Результаты термодинамического расчёта сопла со степеньюрасширения ε= 62,76.СоставС10Н20 + 90% [91%С10Н20топливаН2О2+3%[Mn(C5H7O2)3]+(CH3)2C6H3NH2]Н2О2Km08,0867,92k1,19991,205R359358,182M43,17743,05Тв камере, К2741,332641,96Тна срезе, К1625,361505,06Iуд, с284,648275,58H,кДж/кг-8858,07-9079,2ε62,7662,76+6%90%91Импульс довольно заметно падает при добавлении ацетилацетоната марганцак керосину.Расчет концентраций токсичных веществ на выходе из двигателя прииспользовании добавки ацетилацетоната марганца к керосину представлен вТаблице 18.Таблица 18.

Концентрации токсичных веществ на срезе сопла со степеньюрасширения ε= 62,76.ВеществоЧистыйДобавка ПДКкеросин3%ПДКв рабочей зоне,максимальная разовая,мг/м3мг/м3NO-0,797300,4k*Mn3O4----CO-0,592035CO214 4409 76130 000-В работе [67,68] в качестве пускового горючего используется ПГ-2 (смесьтриэтилбора и триэтилалюминия) добавляемая к керосину.Триэтилборан – элементоорганическое вещество, алкилпроизводное бора сформулой В(C2H5)3, бесцветная жидкость, самовоспламеняется на воздухе [70].Тплавл = - 92,9°С; Ткип=95 °С; плотность - 0,6961 г/см3 (при 23°C).

Нерастворим вхолодной воде, но разлагается горячей. Хорошо растворим этанолом идиэтиловым спиртом. Температура самовоспламенения: 20°C; с кислородомобразует взрывчатые смеси.Триэтилалюминий – элементоорганическое вещество, алкилпроизводноеалюминия с формулой Al(C2H5)3.

Бесцветная жидкость, самовоспламеняется навоздухе [70]. Поэтому работать с ним можно только в инертной атмосфере (азотили аргон). Т.плавл.= -52,5°С, Ткип= 128-130°C; плотность 0,8324 г/см3 (при 25°C).Для выяснения влияния присадки ПГ-2 к керосину на удельный импульс, атакже для оценки изменения показателя экологичности горючего проведен ряд92термодинамических расчетов по определению удельного импульса и составапродуктов сгорания для различных концентраций добавки.4.1 Результаты термодинамического расчета горения и истечения топливаВПВ – керосин с пирофорными добавкамиРасчеты проводились для двигателя со степенью расширения сопла ε=1000(полноразмерное сопло) и ε=62,76 (укороченное сопло)Таблица 19.

Результаты термодинамического расчёта для сопла состепенью расширения ε=1000.СоставС10Н20+ 90%С10Н20топлива90% Н2О285%С10Н20 + 80%С10Н20 + 75%С10Н20 + 100%ПГ+ 10%ПГ + 15%ПГ 20%ПГ 25%ПГ +90%90% Н2О2+90% Н2О290% Н2О2+90% Н2О2Н2О2Km08,0868,038,0167,977,9487,48k1,23571,2341,23381,2331,2321,226R358,93359,058359,131359,185359,258366,03M43,168443,101343,068643,032942,99942,737Тв камере, К 2741,332747,042748,952753,142755,632804,89Тна срезе, К994,8491006,91011,641019,81025,341121,66Iуд, с320,357320,98321,138321,655321,903327,163H,кДж/кг-10142,3-10156,9-10160,7-10172,7-10178,6-10303,6ε10001000100010001000100093Таблица 20. Результаты термодинамического расчёта сопла со степеньюрасширения ε= 62,76.СоставС10Н20топлива90% Н2О2+ 90%С10Н2085%С10Н2080%С10Н2075%С10Н20100%ПГ+ 10%ПГ + + 15% ПГ + 20% ПГ + 25% ПГ +90%90% Н2О2+90% Н2О290% Н2О2+90% Н2О2Н2О2Km08,0868,038,0167,977,9487,48k1,20271,20231,20221,20181,201651,19727R358,97359,38359,6359,8360,02363,48M43,17343,1443,12543,10743,0942,83Ткс, К2682,152688,242690,192694,742697,362749,76Тср, К1551,251560,521563,181570,51574,361657,16Iуд, с279,397279,824279,91280,29280,45284,17H,кДж/кг-9019,7-9027,34-9029,23-9035,56-9038,56-910362,7662,7662,7662,7662,7662,76εПо результатам расчётов построены зависимости удельного импульса отпроцентного содержания добавки смеси триэтилбора и триэтилалюминия вкеросине.94Рисунок 34.

Зависимость удельного импульса от процентного содержаниядобавки смеси ТА и ТБ в керосине для двигателя с соплом со степеньюрасширения ε = 1000.На Рисунке 34 видно, что удельный импульс растёт с увеличениемпроцентного содержания добавки в керосине. Рост удельного импульсаобъясняется увеличением скорости истечения продуктов сгорания, котораявычисляется по формуле [64]:Wa =(21)где, k - показатель изоинтропы,R0 - газовая постоянная,Тк - температура в КС,рк, ра - давления в КС и на срезе сопла соответственно.Температура в камере по мере увеличения процента добавки растёт, амолекулярный вес газа в камере сгорания падает, что приводит к медленномуросту скорости истечения и к росту удельного импульса соответственно.95Ниже представлен результаты расчета состава продуктов сгорания и ихконцентраций.Таблица 21.