Диссертация (Углеводородное горючее на основе керосина с присадками для повышения энергетической эффективности ЖРД), страница 4

В последние годывместо высоковязких присадок растворного типа все чаще используютполимерные суспензии в маловязкой дисперсионной среде [28,29], обладающиерядом преимуществ. Основными достоинствами АТП нового поколенияявляется более высокое (в три-четыре раза) содержание в них активноговещества (полимера) и значительно меньшая вязкость, что существеннооблегчает технологический процесс их ввода в магистральный трубопровод.Приведенные примеры практического использования полимеров длягашения турбулентности свидетельствуют о высоком прикладном потенциалеэффекта снижения гидродинамического сопротивления. Так АТП, растворимыев углеводородах, нашли свое применение и в ракетно-космической отрасли вкачестве добавкиккомпонентамсопротивление в трактах подачи ЖРД.топлива,снижающейгидравлическое17В конце 80-х годов в НПО Энергомаш начали проводить исследования,которые показали, что применение модифицированных компонентов ракетноготоплива с улучшенной реологией на основе высокомолекулярных присадокпозволяют добиться ощутимого повышения энергетической эффективностиэксплуатируемых ЖРД и РН для увеличения массы полезного груза [30,32-40].Положительный эффект заключается в придании компоненту жидкого ракетноготоплива свойства лучшей текучести в гидравлических трактах системы подачиЖРД.ЭтореализуетсяпутёмвведенияввысококипящиеКЖРТмикроскопического количества (сотые доли процента от массы КЖРТ)высокомолекулярной добавки.

Такой присадкой к керосину для кислороднокеросиновых ЖРД является высокомолекулярный полиизобутилен (ПИБ) [31].В[32]представленыэнергетическихрезультатыхарактеристиканализавозможностейкислородно-керосиновыхповышенияЖРДитяговооружённости ракет-носителей семейства «Союз». За счёт применения в нихмодифицированного ракетного горючего – керосина с добавкой растворимоговысокомолекулярного полиизобутилена происходит существенное уменьшениегидравлических потерь на трение в системе подачи горючего в камеру ЖРД. Вработе была сделана оценка уменьшения запаса рабочего тела на привод турбиныТНА применительно к маршевым двигателям 14Д21, 14Д22, 11Д55 РН «Союз», атакже рассмотрена возможность и эффективность форсирования двигателей потяге с соответствующим увеличением удельного импульса на земле, бездоработки их конструкции.Применение присадки ПИБ для экономии рабочего тела на привод турбиныТНА на борту РН является наиболее простым вариантом получения приростамассы выводимого ПГ.

Расчетные значения экономии составляют: перекисиводорода ~ 450 кг (двигатели 14Д21 и 14Д22) и компонентов топлива – кислородаи керосина ~ 76 кг (двигатель 11Д55). Использование ПИБ в двигателе 14Д23,который может быть применён в качестве маршевого двигателя 3-ей ступени РН«Союз», позволяет либо уменьшить температуру генераторного газа на входе втурбину ТНА приблизительно на 52°С. на номинальном режиме, либо18использовать избыток мощности турбины в 7,2 % для форсирования двигателя потяге без увеличения теплонапряжённости конструкции [34].Работоспособность ЖРД с полимерной присадкой ПИБ и эффективность еёприменения подтверждена огневыми испытаниями кислородно-керосиновыхдвигателей: РД170 тягой на земле 740 тс, двигателя 14Д22 тягой на земле ~80 тс идвигателя 11Д58М тягой в пустоте ~8 тс.

[33].При этих испытаниях повышение напора насосов горючего составило 5,5 –6,5 %. Повышение суммарного кпд насосов горючего составило 12 – 17%.Снижение гидропотерь в трактах регенеративного охлаждения камер составило20 – 24 %. Такой эффект позволяет снизить потребную мощность насоса горючегона 20 – 25 %.

При этом суммарная мощность турбонасосного агрегата (ТНА)снижается на 7 – 8 %.В[36]представленыэкспериментальныезависимостивеличинкоэффициентов сопротивления от числа Рейнольдса при течении в капиллярахразныхдиаметровдлясверхвысокомолекулярногопромышленногорастворовсополимераполиизобутиленавразныхвысшихнефрасеконцентрацийальфа-олефинов(продуктинефтеперегонкибензиновой фракции). Рассмотрена возможность использования полиальфаолефиновкакуглеводороднымальтернативыкомпонентамполиизобутиленаракетноговкачестветопливадляприсадкикснижениягидродинамических потерь в магистралях горючего ЖРД.На Рисунке 1 представлены графики, показывающие снижение трения притечении керосина с добавкой ПИБ разных концентраций С% в спиральныхфрезерованных каналах сечением 2×2 мм, имитирующих каналы регенеративногоохлаждения камер современных ЖРД [38].19Рисунок 1.

Снижение трения при течении керосина с добавкой ПИБ разныхконцентраций в спиральных каналах сечения 2×2 мм. ● – формула Блазиуса; ○ –С=0; ◊ – С=0,008 %; ∆ – С=0,02 %; ■ – С=0,05 %Видно, что эффект снижения трения проявляется в турбулентной областитечения и с ростом числа Re увеличивается. Для концентраций ПИБ в керосине0,02 и 0,05 %, на том же режиме течения (Re=4*104), снижение сопротивлениясоставило приблизительно 46 %. Но начиная с некоторого значения характерзависимостей λ от Re меняется. Это происходит из-за так называемой деструкцииполимера [39].

В каналах регенеративного охлаждения камер ЖРД из-за влияниявысокой температуры охлаждаемых стенок и воздействия турбулентныхвозмущений происходит деструкция растворенных макромолекул, в результатечего ослабевает негативный эффект снижения конвективного теплообмена, ихарактеристики течения горючего с присадкой приближаются к характеристикамчистого керосина. Поэтому, в случае применения в ЖРД полимерных присадок,процесс деструкции следует рассматривать как положительное качество, так какон играет роль своеобразного регулятора с отрицательной обратной связьюспецифических свойств течения полимерных растворов.В связи с тем, что сополимер 1-гексена с 1-деценом имеет существенноболее высокую молекулярную массу по сравнению с ПИБ, возникает вопрос определьно возможной концентрации сополимера 1-гексена с 1-деценом в20керосине, при которой его текучесть остается приемлемой для перекачки методомвытеснения, например сопоставимой с текучестью концентрированного раствораПИБ.

На Рисунке 2 представлены зависимости от концентрации при 20 Свеличин кинематической вязкости растворов ПИБ в керосине Т-6, нефрасе С2;сополимера1-гексенас1-деценомвдизельномтопливе(вязкость2,5 сСт), близком по характеристикам керосину Т-6 и в нефрасе С2. Измерениявязкостей производились методом капиллярной вискозиметрии с помощьювискозиметров типа ВПЖ. Из графика видно, что в одинаковых условиях (один итот же растворитель, одинаковая концентрация) вязкость растворов сополимера 1гексена с 1-деценом заметно выше, чем растворов ПИБ. Это объясняетсясущественной разницей величин молекулярных масс этих полимеров.

Виднотакже, что вязкость растворов обоих полимеров сильно зависит от вязкостичистых растворителей. Судя по зависимости вязкости от концентрациисополимера1-гексенас1-деценомвдизельномтопливе,величинаС = 0,5…0,7 % вполне приемлема как контрольный уровень при приготовленииконцентрированного раствора этого полимера в керосине.Рисунок 2. Зависимость кинематической вязкости от концентрации растворовпри 20 С: ■ – ПИБ в керосине Т-6 и ♦ – в нефрасе С2; ● – сополимера 1-гексена с1-деценом в дизельном топливе и ▲ – в нефрасе С2.21Приведенные данные о снижении гидродинамического трения в капиллярах ио величинах вязкостей концентрированных растворов сополимера 1-гексена с 1деценом в нефрасе дают основание рассматривать этот класс полимеров каквозможную присадку к углеводородным компонентам ракетного топлива дляуменьшения гидравлических потерь в системе подачи горючего в камеру ЖРД.При этом полимеры высших альфа-олефинов могут иметь преимущество передПИБ.

Например, объем концентрированного раствора сополимера 1-гексена с1-деценом для проведения полноразмерного огневого испытания двигателя РД191составил бы 30 литров и менее. Столь маленькая емкость может бытьпринадлежностью двигателя. В этом случае при практическом примененииполимерных присадок из технологической цепочки исключаются наземнаяинфраструктура и собственно ракета-носитель.На Рисунке 3 представлены результаты расчёта прироста массы ПГ взависимости от концентрации присадки, сделанного для каждой ступени РН«Союз-У» [32]. Наибольший вклад в увеличение массы ПГ вносит экономиякомпонентов топлива – кислорода и керосина маршевого двигателя третьейступени 11Д55 (блок И).Рисунок 3. Зависимость прироста массы ПГ, выводимого РН «Союз-У», отконцентрации присадки.22В [40] проанализированы возможности увеличения массы ПГ РН семейства«Союз» при использовании высокомолекулярных присадок к горючему иперечислены задачи, которые можно было бы решить с помощью присадки ПИБ вкеросине:- расширение номенклатуры космических аппаратов (КА), запускаемых РН;- добавление малых КА (нано, микро, миниспутников) в качестве попутногогруза к основному КА;- расширение функциональных возможностей КА и космических платформпутём дооснащения их дополнительными блоками аппаратуры.1.2 Исследовательские работы по созданию гиперголического топливаСамовоспламенение - распространенный процесс, присущий очень многимвеществам.

Обычно самовоспламенение веществ происходит при достиженииопределеннойтемпературы,самовоспламенения.Нокотораясуществуютназываетсявеществаитемпературойсмесиспособныесамовоспламенятся и при комнатной (и даже ниже) температуре без воздействиявидимого источника тепла.Механизм работы таких смесей - самоускоряющаяся экзотермическаяреакция протекающая с воспламенением смеси. Вследствие этого, времявоспламенения таких смесей зависит от внешней температуры, давления,химического состава смесей и др. По понятным причинам хранение готовыхсмесей не рекомендуется. При очень высокой скорости развития процессасамовозгорания могут быть получены и самодетонирующие смеси (например,смесь алюминиевой пыли, угля и перекиси водорода или смесь нитрата аммония сперманганатом калия).По скорости воспламенения вещества и смеси можно разделить на:воспламеняющиеся немедленно (1-2 секунды после смешивания реагентов),воспламеняющиесячерезнепродолжительноевремя(0,1-5минутпосле23смешивания реагентов) и воспламеняющиеся через продолжительное время(более 5 минут после смешивания реагентов).

Следует заметить, что этаклассификация очень условна, вследствие сильной зависимости временивоспламенения от внешних условий (состав смеси, температура воздуха,влажность воздуха и реагентов, их концентрация). Большинство смесей и веществвоспламеняются немедленно после смешивания или попадания на воздух.Представления о причинах теплового самовоспламенения в качественнойформе даны Я. Вант-Гоффом в 1883 году. Среди отечественных исследователейтеорию теплового самовоспламенения в 1928 году разработал Н.

Н. Семенов [41].Теплота, выделяющаяся при медленном протекании экзотермической реакции,рассеивается в окружающее пространство. При некоторых условиях температуры,давления и теплоотвода теплота не успевает передаться в окружающеепространство, вследствие чего температура в зоне реакции прогрессивноповышается.Сростомтемпературыскоростьреакцииискоростьтеплообразования увеличиваются, увеличивается также и скорость теплоотвода,однако медленнее, чем скорость реакции. Температура, начиная с которойвыделяющаясятеплотабольшеотводимой,называетсятемпературойсамовоспламенения; она зависит как от химического состава смеси, так и отусловий теплоотдачи. Начиная с температуры самовоспламенения происходитпрогрессивное саморазогревание смеси и самоускорение реакции, приводящее ктепловомусамовоспламенениюиливзрыву.Температурутепловогосамовоспламенения можно вычислить, если известны тепловые характеристикигорючей газовой смеси (тепловой эффект, теплопроводность) и кинетика реакцийгорения (константа скорости, энергия активации).