Теория и расчёт воздушно-реактивных двигателей под ред. Шляхтенко С.М. (1014193), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Величина Н„ в основном, определяет максимально достижимую тягу двигателя (например, ПВРД). 4. Высокая работоспособность продуктов сгорания, опреде. ляющаяся комплексом ЯТ« (множитель в выражениях работы газа, кинетической энергии истекающих газов и т. д.). Она может быть увеличена при увеличении Те или изменением молекулярного состава продуктов сгорания (при уменьшении их средней молекулярной массы 1»,р увеличивается газовая постоянная Н = = В /1»,р, где  — универсальная газовая постоянная).
Это требование выдвигается в случае использования топлива как рабочего тела (в ракетных и комбинированных двигателях). 5. Высокая термостабильность при нагреве в баках при высоких скоростях полета и охлаждении нагретых элементов. Она характеризуется температурой предельного нагрева топлива Т,р, .
6. Высокое «хладосодержание», т. е. теплопоглощение при йагреве от температуры топлива в баках до Т д, характеризующее охладительные возможности топлива. 7. Возможность подвода топлива (в общем случае тепла) в двигатель. Зта возможность затруднена при использовании, например, твердых, порошкообразных, загущенных топлив, ядерного горючего и др. 8.
Достаточная химическая активность и возможность эффективного сжигания (для химических топлив). 9. Эксплуатационная пригодность (умеренная токсичность, безопасность, транспортабельность, стабильность при хранении и др.). 10. Умеренная стоимость и достаточные ресурсы. Перечисление общих требований к топливам ВРД показывает сложность проблемы обеспечения их эффективными источниками энергии. Потенциально 'возможные источники э н е р г и и ВРД по принципу образования тепловой энергии можно разделить на три класса (рис.
2.1): химические, т. е. использующие молекулярные реакции с тепловыделением; ядерные, использующие энергию распада или деления ядер~химических элементов, и световые, использующие для получения тепла энепгию светового излучения. Хиличеекие источники энергии ВРД (топлива), а именно, их ' первая группа, использующая для получения тепла окисли- 55 Источники энергии ВРД Хинические Ядерные Деление ядер д реакторак Реакция окисления (горючие) Излучение Галнца двигателей.
Имеются проработки летательных аппаратов с ВРД, энергия к которым подводится с земли или с космических солнечных электростанций посредством лазерного луча. Характерная особенность рассмотренных классов источников энергии заключается в том, что при использовании химических ИЭ тепло образуется непосредственно внутри двигателя, а химические ИЭ должны быть туда поданы или там заранее размещены; ядерные реакторы, расположенные на борту летательного аппарата, требуют специальной системы с теплоносителем для передачи тепла вдвигатели, а световые источники энергии расположены вообще вне летательного аппарата и требуют сложных передающих, приемных и преобразующих энергетических устройств.
Реала,ия разложения Распад извтопед Луч лазера Ассоциация сдододлык радикалед Рис. 2.1. Возможные источники энергии ВРД тельно-восстановительную реакцию (горение), в настоящее время является единственным видом, нашедшим практическое применение, и детально рассматривается ниже. В принципе в ВРД можно использовать экзогенную реакцию разложения некоторых веществ, которая применяется в )КРД с однокомпонентным топливом (перекись водорода, пропилнитрат и др.). В перспективе для высотных аппаратов с двигателем типа ПВРД не исключено использование тепловой энергии каталитической ассоциации свободных радикалов или преобразования неустойчивых молекул, присутствующих в высоких слоях атмосферы и образующихся под действием солнечного излучения.
Ядерные источники энергии ВРД прежде всего связываются с применением ядерного реактора на борту летательного аппарата. Особенности использования ядерного горючего в ВРД рассматриваются в разделе 2.5. В некоторых специфических случаях может оказаться возможным применение в ВРД радиоактивных изотопов как источников тепловой энергии. Световые источники энергии примечательны тем, что при их использовании становятся ненужными бортовые запасы топлива или реакторы.
Уже имеются экспериментальные самолеты с солнечными батареями и электродвигателем, приводящим воздушный винт. Энергия Солнца широко используется в космической технике. Не исключено, что будут найдены способы использования этой энергии в ВРД и определены области применения таких 2.2. ХИМИЧЕСКИЕ ТОПЛИВА И ИХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Химические топлива ВРД можно разделить на одно- компонентные и двухкомпонентные.
Однокомпонентные топлива представляют собой горючее вещество (или смесь нескольких горючих веществ), для сжигания которого в ВРД используется только кислород воздуха. К этому же классу относятся и унитарные (мономолекулярные) разлагающиеся топлива, применение которых принципиально возможно в комбинированных ВРД, с элементами ЖРД.
Двухкомпонвнтные топлива ВРД содержат наряду с горючими веществами бортовой окислитель для частичного окисления горючего и его газификации с целью последующего дожигания в кислороде воздуха. При использовании жидких компонентов горючее и окислитель содержатся в отдельных баках; при использовании твердых топлив горючие и окисляющие компоненты входят в состав унитарных смесевых зарядов (брикетов) твердого топлива.
Двухкомпонентные топлива используются только в комбинированных ВРД, включающих элементы ракетных двигателей. Основная масса ВРД работает на однокомпонентных топливах. Большое значение для организации подачи топлива в двигатель и его эффективного сжигания имеет агрегатное состояние топлива.
Топлива ВРД в принципе могут находиться во всех простых агрегатных состояниях: газообразном, жидком, твердом, в виде суспензии (взвесей порошков в жидких горючих). Воздух как основной окислитель в ВРД Основным окислителем в ВРД служит кислород воздуха. Приведем стандартный состав сухого атмосферного воздуха (по основным компонентам): 57 Таблииа 2Л М еку рная ы а са, ю Компоненты Объемная доля Горючее Ма о, Аг со, ВСЕГО 78,09 20,95 0,93 0,03 100 75,55 23,! 1,3 0,05 100 28 32 40 44 29 Керосна т-! Свойства А) Ве н 24,3 1,74 26,98 2,7 12,01 2,25 10,81 2,3 9,01 1,84 6,94 0,476 1,01 0,0709 (ж) ( — 253 'Ш 120 аа Атомная масса Плотность, кмдм' 0,8 24,31 30.98 ° 42.91 58.82 ' 32.79 42,98 * 62,0 " Массовая удельная теплота сгорания Н, Мдж/кг Объемная удельная теплота стара и, МД (дм Удельная тепло.
проиавадительность Н, кдж/кг Стекнометрическнй кааьфипиент 34,33 43,16 83,65 135,3 73.77 21,7 115.55 3 51 ° та 2699 6444 6388 5549 2623 7175 7218 3409 14,9 9,6 11,5 2,85 7,7 4,99 34,2 ° Окиеел е твердом виде. ° а Гааообраанмй водород пРи +25 'С а ° а жидкий водород ( — 253'С).
угд Возможные химические топлива 59 Средняя молекулярная масса воздуха т, = 29. Газовая постоянная воздуха Я, = 8314/т, = 287 Дж!(Кг К). Для полного окисления горючего вещества требуется вполне определенное количество воздуха, определяемое стехиометрическим коэффициентом 1.9. Удельная массовая теплота сгорания химических топлив при сгорании в кислороде (воздухе) Различают высшую и низшую удельные теплоты сго- рания.
Высшей удельной теплотой сгорания Н, называют количество тепла, выделяющегося при полном сгорании 1 кг топлива в воз- духе, которое имеет одинаковую исходную базовую темпера- туру Т„при условии последующего охлаждения продуктов сгорания до этой базовой температуры с учетом тепловых эф- фектов всех фазовых превращений (в т. ч. конденсации воды). За стандартную базовую температуру берут Т, = 298,16 К, т.
е. +26'С. Так как продукты сгорания топлив обычно имеют температуру выше 1, воды, то пользуются понятием низшей удельной теплоты сгорания Нм, которая определяется так же, как и Н, но при условии охлаждения паров воды в продуктах сгорания до Т, без конденсации. Очевидно, что Н„ меньше Н, на величину теплоты парообра- зования воды и разницы теплосодержания пара и воды при Т,. У топлив, не содержащих водорода, а следовательно, и воды , в продуктах сгорания, Н„ = Н,, Теплота сгорания может быть определена экспериментально ' в калориметрической бомбе, либо расчетом по известным теплотам образования исходных веществ, входящих в состав топлива, и их продуктов сгорания, находящихся в соответствующем фазовом состоянии при базовой температуре Т,.
Все наиболее теплотворные химические элементы с Н„) > 25000 КДж/кг находятся в первых трех группах и первых четырех периодах периодической системы элементов Менделеева. Таких элементов всего семь: водород, литий, бериллий, бор, углерод, магний, алюминий. Именно эти элементы являются основой всех используемых и перспективных химических топлив ВРД.
58 В тех же группах (2 и З-й), но в Ч! и 711 периодах расположены три главных окисляющих элемента, используемых в ВРД или ракетных двигателях — кислород, фтор, хлор. В табл. 2.1 даны основные свойства горючих веществ (рис. 2.2). Удельная теплопроизводнтельность топлива согласно определению (2.!) в координатах ̈́— (1 + Т.о) характеризуется НаглуЯВ~Кгг НГ7ИД(и~дна Гад В(е И ВЕ В Ю Рl~ Л( Т-7 Аеросин Рис.
2.2. Массовые и объемные удельные теплоты сгорания ссиоаиых горючих веществ Ни, Н//иг/кг елеигиюы Горючие й 4 В гг /ейо Рис. 2.3. Связь удельной массовой теплоты сгорания Ню стехиометрического комрфициеита сь н удельной теплопроизводительности горючих Рис. 2.4. Основные типы горю. чих выцеств, потенциально пригодные для использования в ВРД тангенсом угла наклона прямых Н, = сопз1, выходящих из начала координат, что показано на рис. 2.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
