Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник под ред. В.М.Кудрявцева (1014186), страница 121
Текст из файла (страница 121)
В ы б о р с о с т а в а т в е р д о г о т о п л и в а. В состав заряда ТГГ в общем случае могут входить окислитель, горючее, замедлители горения, флегматизаторы (добавки, уменьшающие чувствительность составов к трению и удару), связующие вещества (органические полимеры, обеспечивающие механическую прочность спрессованных составов), вещества технологического назначения (например, растворители для связующих).
Следует отметить, что одно и то же вещество может выполнять в составе заряда несколько функций, например связующие выполняют функцию горючего, а в некоторых случаях и замедлителей горения. Основой всякого состава является смесь окислителя с горючим. Наиболее часто в качестве окислителей используюгся кислород- содержащие вещества. Помимо веществ, содержащих кислород, окислителями могут быть и простые вещества — неметаллы. Например, при горении могут протекать реакции соединения между высококалорийными металлами, (Ми, А1 и др.) и такими веществами, как сера, фосфор, азот, углерод, бор, фтор и фторорганические соединения и др. В качестве горючего могут быть использованы металлы(магний, алюминий и его сплавы, титан, цинк, железо, марганец, вольфрам, сурьма), неметаллы (фосфор, углерод, сера, бор и др.), неорганические соединения (бороводороды и их производные, сульфиды фосфора и сурьмы, карбиды, снлициды и фосфиды металлов).
Для ТГГ нашло применение органическое горючее: индивидуальные углеводороды (бензол, толуол, нафталин и др.), смеси углеводородов различных рядов (мазут, парафин и др.), углеводы (целлюлоза) и некоторые другие органические вещества (стеарин, дициандиамид, тиомочевина и др.). В качестве связующих используют искусственные и естественные смолы (идитол, бакелит, эпоксидные смолы, канифоль, резинаты), высыхающие масла, различные асфальты и битумы, растворы нитроклетчатки и каучука в соответствующих растворителях, полиуретаны и т.
п. Во многих конструкциях ТГГ применяют нитроцеллюлозные (коллоидные) пороха, являющиеся гомогенным продуктом нитрации целлюлозы. Нитраты целлюлозы с содержанием азота менее 12% называют коллоксилином, с более высоким содержанием — пироксилином. Для формирования порохового заряда в нитрат целлюлозы вводят растворитель. Пороха, созданные с использованием летучего растворителя (обычно спиртоэфирного раствора), называют пироксилиновыми порохами, Пороха, созданные с использованием труднолетучего растворителя (обычио нитраты многоатомных спиртов или нитроарома- 606 тические соединения), называют баллиститами. Названия баллистнтных порохов соответствуют техническим названиям растворителя, использованного для изготовления данного пороха.
Например, в нитроглицериновом порохе в качестве растворителя применен нитроглицерин. В ТГГ могут использоваться баллиститные пороха ракетного типа со специальными присадками, обеспечивающими получение того или иного качества газа (пониженная температура или скорость горения, снижение количества твердых частиц в газе и др.).
Для снижения температуры могут быть использованы фталаты, нитропроизводные, производные мочевины и др. Такие пороха иногда называют «холодными». При горении баллиститных порохов образуются газообразные продукты, в основном состоящие из СО„СО; Н,; Х»; СН« и Н»0. Газопроизводительность современных баллиститных порохов лежит в диапазоне 800 — 1100 дм»/кг (приведенная к 0'С и 0,1 МПа) при температуре газа 1600 — 3200К.
Некоторые типы твердотопливных зарядов могут быть использованы для генерации химически чистого газа наддува. Например, для получения кислорода используется реакция термического разложения хлоратов калия или натрия: 2НаС(О - 2ИаС1+ 30,; 2КС10, — 2КС! + 30» (15,57) (15. 58) Для поддержания этих реакций в смесь добавляется небольшое количество горючего (полисульфидный каучук, полиуретан и т.
п.) Для получения водорода может быть использована реакция 5! + 2ЯаОН + Са (ОН), — Ха»5!О» + СаО+ 8Н, (15.59) 607 или реакции гидридов лития, калия или магния с водой 1!Н -1- Н«0 — 1!ОН+ Н,; (15,60) СаН, -1- 2Н,Π— Са (ОН), + 2Н»; (15.61) МдН»+ 2Н,Π— Мя(ОН), + 2Н,. (15.62) Азот можно получить по реакции нитрита натрия и хлорида аммония: ЫаИО»+ 5!Н«С1 — ИаС! + 2Н,О + Х». (15.63) Газообразная закись азота может быть получена путем термического разложения нитрата аммония: НН«НО» — 2Н,О+ ИО». (15.64) Для удаления побочных продуктов в ряде случаев появляется необходимость в установке сепараторов и фильтров.
Горение твердотопливного заряда. Согласно современным представлениям, процесс горения твердого топлива — это совокупность экзо- и эндотермических химических процессов, протекающих одновременно с физическими процессами диффузии и теплопередачи. и = ЛЫЛт. (15.65) Толщина слоя ЛЬ зависит от условий теплообмена между газом и поверхностью заряда, его начальной температуры и фнзико-химических свойств. В эксплуатации возможны случаи, когда на разных участках поверхности горения заряда получаются различные скорости обтекания газом и, как следствие этого, разные скорости горения. Поэтому принятое положение о горении заряда параллельными слоями справедливо лишь при условии, что все процессы, определяющие прогрев заряда, одинаковы по всей поверхности горения. Скорость горения тзердотопливного заряда.
Законы изменен ия скорости горения в зависимости от начальной температуры заряда н давления определяются экспериментально. В диапазоне давлений, обычно применяемых в ТГГ (до 30 МПа), наибольшую точность дает эмпирическая зависимость и = Ар„'. (15.66) Ниже приведены результаты экспериментов по определению величины А и с при сжигании баллиститного пороха при постоянном давлении и различных начальных температурах заряда; Температура . . . +50 С А . .. . . . .
. 0,536 0,622 — 400С 0,342 0,600 +20 'С 0'С вЂ” 20'С 0,4Л 0,337 0,359 0,654 0,666 Щ 0,660 Из этих данных следует, что с изменением начальной температуры заряда меняется главным образом коэффициент А, в то время как значение показателя степени с остается практически неизменным. Изменение коэффициента А показывает, что начальная температура заряда оказывает значительное влияние на скорость горения.
При расчетах изменение скорости горения, а следовательно, и давления в камере ТГГ в зависимости от температуры заряда оцениваетея коэффициентом термостабильности й„определяемым экспериментально: (1 5. 67) и„= ип,1[1 — 1гг (1, — 15)), где и„— скорость горения пороха при заданной температуре заряда; и,га — скорость горения пороха при температуре +15'С. Чем меньше коэффициент термостабильности, тем меньше изменяется скорость сгорания пороха в зависимости от температуры заряда. Процесс горения можно представить по следующей схеме. В тонком слое заряда — Ь)4, граничащем с газом, при средней температуре Т происходит разложение твердого вещества.
Газообразные продукты разложения реагируют на некотором расстоянии от поверхнности заряда, повышая температуру до Т„. По мере выгорании слой ЛЬ перемещается перпендикулярно поверхности горения. Скорость горения заряда и при Лт — 0 характеризуется скоростью этого пере- мещения Секундный расход газа. Давление в мамере ТГГ. В ТГГ, работающих при сверхкритическом перепаде давления (сверхкритических ТГГ), на выходе из камеры ТГГ устанавливается сопло (дроссель)„ перепад давления на котором больше или равен сверхкритическому.
Применение сверхкритического ТГГ позволяет исключить влияние изменения давления за соплом ТГГ на давление в камере и работать при достаточно высоких давлениях в камере, что стабилизирует процесс горения заряда. Поэтому в дальнейшем изложении все расчетные зависимости будут выведены для случая сверхкритнческого ТГГ. При заданной поверхности горения Зг и скорости горения и секундный приток газа от заряда (газопроизводительность заряда) т, =Лир„, (15.68) где р„ — плотность твердого топлива. Расход газа через сопло гир = !)~арра (15.69) где г„р — площадь критического сечения сопла; р — постоянный коэффициент.
Приравнивая уравнения (15.68) и (!5.69) и подставляя значение и из (15.66), получаем зависимость, связывающую давление в камере ТГГ с площадями критического сечения сопла и поверхности горения заряда: да= !Ар,З,(РР„)!" ~ ° (15.70) Во время работы ТГГ площадь поверхности горения может оставаться постоянной, увеличиваться или уменьшаться в зависимости от принятой геометрии заряда. Из (15.70) следует, что —" =КЗ пра "Ц~ и 33г (15.71) 35 г где 1( — постоянный коэффициент. На рис. 15.5'приведена диаграмма изменения давления в камере ТГГ по времени, соответствующая условиям стабильной работы газогенератора.
Кривые 1, 2, 8 соответствуют разным законам изменения площади поверхности горения во времени. Кривая 2 соответствует постоянной площади поверхности горения г15„1г(т = 0; кривая 1— возрастающей по времени поверхности горения г(З,)ит ) О. Заряды с возрастающей по времени поверхностью горения называют зарядами с прогрессивной формой (поверхностью); кривая 8 — уменьшающейся по времени поверхности горения г(3,14!т - О.
Заряды с уменьшающейся по времени поверхностью горения называют зарядами с дегрессивной формой (поверхностью). Степенью дегрессивности заряда называют разность максимальной и минимальной поверхностей заряда, выраженную в процентах к начальной поверхности. Уравнение (15.70) и соответствующие ему кривые (рис. 15.5) характеризуют нормальный процесс горения заряда. 603 20 в 1442 609 ра 4 рг рг а) !и рл !при 611 610 На практике могут быть случаи аномального (рис. 15.6), неустойчивого горения. Большинство случаев неустойчивого горения ТГГ объясняется локальным изменением скорости и поверхности горения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
