Сухов А.В., Парыгин К.Э. - Топлива жидкостных ракетных двигателей (1043382), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Соединения Х вЂ” Н широко применяются в качестве жидких горючих ЖРД. ? лавный образом применяются аммиак ?чу„гидразин М Н,, монаметил1чшразин (ММГ) Х2НзСНз, несимметричный диметилгидразин (НДМГ) Ь Н.(СН~)., а также смеси этих соединений. Аммиак — наиболее распространенный и изученный из гидридов азота. Получают его методом синтеза из азата и водорода с помощью катализатора (каталитическая реакция) при температуре 700 — 1000 К и давлении 70-100 МПа: И,+З?-?,=2ЫНз. Аммиак при комнатной температуре и атмосферном давлении представляет собой бесцветный газ с характерным резким запахом типа нашатырного спирта.
Он легко сжижается, так как имеет высокую критическую температуру, н его можно хранить в виде жидкости в обычном интервале температур хранения жидких топлив Влажный аммиак не оказывает коррозионного действия на железо, сталь, алюминий. Он быстро реагирует с медью, латунью, цинком, бронзой и некоторыми другими сплавами. Из неметаллнческнх материалов можно применять тефлон, асбест (не содержащий консистентной смазки и графита), стекло, керамику, каучуки и некоторые пластмассы.
Аммиак токснчен. Он вызывает раздражение горла, глаз и кашель. Наиболее эффективен 1ЧНз с фтором. Гидразин бесцветен„сущее.гвует в жидком состоянии при тех же температурах, что и вода. Получают его путем синтеза, первая стадия которога состоит в быстрой реакции 1ЧНз и типохлорита натрия, ведущей к образованию хлорамина: ЫаОС1 + 1ЧНз — -- 1ЧН2С1 + КаОН. Затем происходит медленная реакция избытка аммиака и хлорамина с образованием Ь1 Н~.' ХНз + ХН2С1 + ХаОН = ИтН4+ ИаС1 + Н- О. ЦДМГ при нормальных условиях — гигроскопичная жидкость с япахом аммиака. Легко растворяется в воде, спирте, эфире. НДМà — весьма стойкое и стабильное вещество, прн нормальных условиях не чувствительно к улару, трению. световым и звуковым импульсам.
При нагреве до 4ОО К разлагается. ММГ обладает большой стойкостью и весьма токснчен. Отличается большой летучестью из-за высокого давления насыщенных паров и в пожарном отношении значительно хуже И2Н„НДМГ. ММГ и НДМГ можно получить тремя способами. Первые два — общие методы получения алкилгндразинов, а третий применим только для НДМГ.
Прямое алкилирование гидразина: СН С1+21~1 Н„=СНЖН -1ч Н НС1. лучше всего проводить для получения монозамещенных гндразинов с замещающими группами сравнительно высокой относительной молекулярной массой (С Нз), хотя эту реакцию можно использовать и для получения метили диметилгидразииов. Применимость метода ограничена тенденцией к чрезмерному алкилированию. Получение диметилгидразина проходит через стадию образования хлорамина при последукнцем взаимодействии его с диметиламином".
ННз + ЫаОС1 — - Ы-(зС1 + 1ЧаОН, М-ЬС1 -- (СН~).МН = (СНз)рЩ-Ь + НС1, НС1 -~ КаОН = ХаС1 + Н2О. Выбор конструкционных материалов для гидразина более сложен, чем для его производных, так как он менее стабилен и склонен к разложению в контакте с некоторыми материалами. Металлы, совместимые с Ь2Н,1, совместимы и с его производными (ММГ и НДМГ). К конструкционным материалам для Ь~Н4 относятся некоторые марки алюминия„нержавеющих сталей н сплавы никеля.
тантала и титана а также кремнистые стали. При использовании конструкцнонных материалов необходимо предупредить образование ржавчины и солей меди. так как они сильно катализируют разложение гидразина. Неметаллические материалы, рекомендуемые для работы с 1'р1-4. .тефлон, полиэтилен, стекло„каучуки (натуральный и синтетический). Для НДМГ рекомендуются малоуглеродистая сталь„никель, стекло. некоторые нержавеющие стали и магний. Сплавы меди (бронзу, латунь) применять не рекомендуется. Неметаллические материалы ршя НДМГ: тефлон„ полиэтилен, каучук, графит, асбест, пропитанный тефлоном, фенолформальдегидная смола.
Для ММГ справедливы те же ограничения по металлам, что и для гидразина, и ограничения для неметаллических материалов„чта и для НДМГ. Для смесей 1ЧзН~ + НДМГ применимы те материалы. которые совместимы с обоими компонентами этих смесей. Гидразин, ММ1' и НДМГ широко используются в качестве горючих ЖРД Предпочтение следовало бы отдать гидразину в связи с его лучшими энергетическими характеристиками, более высокой плотностью и отсутствием в сга составе углерода, но ан имеет высокую температуру затвердевания. Полому в качестве эффективных долгохранимых горючих часто используют смесь 50% Х~Н~+ 50% НДМГ„называемую аэрозинам-50.
1'оксичность у гидразина и его производных значительна вьпце, чем у аммиака (10 мг~л). При кратковременном действии максимально допустимая концентрация может быть увеличена в 10 раз. Меры предосторожности при рабате с большим количествам гидрндов азата одинаковы, так как их свойства подобны. Сбязательна защитная спецодежда, очки н маска. Пораженные части тела необходимо тщательна промыть ведой, в которую по возможности добавить разбавленную уксусную пли лимонную кислоту. Лггкккгнаоккна аманы — протввопныа ммнака, в мовокука кОторого атомы водорода замещены углеводородными радикалами. Используются в качестве основных и пусковых горючих. Амины на~~ваютс~ первичными (В:-МНД, вторичными (Кр-ХН) или третичными (йз — Щ в зависимости от числа замешенных атомов водорода.
Соединение ХНз, вхадяшее в состав первичных аминов, называется аминогруппой. В зависимости от числа аминогрупп различают моноамнны, днамины и палиамины. А ам.ггические амины — вещества, в которых амино1руппа (М4) замещает атом водорода в кольце ароматических углеводородов: анилин СаН5ИН„.
(бензол СьН6)„ ортатолуидин СтН7ХН (талуол Сиз), ксилидин СаН4ЧНз(ксилол С~Ни). Алифатические амины — бесцветные жидкосги, а аромкгические всегда имеют определенный цвет, ~вой~тве~н~й исходному веществу. Амины, содержащие в своем составе две аминогруппы. называются диаминами.
К их числу относятся гидразин Х~Н~, монометилгидразин СНзК Нь симметричный и несимметричный диметилгндразин (СЩ:Х2Н~ и др. Диамины более эффективны в ЖРД, чем амины. Производственное получение аминов технически доступно н обеспечиваются многими методами. Основным исходным продуктом является аммиак. Так, при взаимодействии галлоилно-производных с аммиаком можно получить амины: СНзС1 »- ХН» = СН,ХН + НС1, С-,Н5ОН + МН» = СяН5МН + НзО. Существуют и другие методы получения алифатических и ароматических аминов, например, метод синтеза. Коррозионная активность аминов невелика.
В качестве конструкционных материалов допускаются малоуглероднстые стали, алюминий и его сплавы, дюраль„моннель-металл, никель. Не рекомендуется медь и ее сплавы. В качестве прокладочного материала целесообразно использовать фторопласт„полиэтилен. каучук. Горючие на основе металлов предс.гавляют большой интерес ввиду высокой теплоты их сгорания, плотности н ряда других положительных качеств. Однако некоторые нерешенные до сих пор проблемы„в частности обеспечение стабильной подачи компонентов топлива, не всегда позволяют широко использовать металлические горючие в ЖРД.
Один из пугей решения этой задачи — использование металлов, входящих в химические соединения с друтими элементарными горючими в наивыгоднейших сочетаниях Одними из таких соединений„в частности, являются соединения бора с водородом — бораны. Известные бороводороды описываются формулами В,Н,, „— для стабильных соединений н В„Н„„— для менее стабильных соединений. Бораны бесцветны„токсичны, обладают весьма неприятным запахом. При обычных условиях они неустойчивы, могут самовоспламеняться. Вода разлагает бораны с выделением водорода (гидролиз): В2Н» + б Н2О = 2В~ОН)з + 5 Н2- 'Эти факторы затрудняют их эксплуатацию.
Без доступа воздуха и воды бораны могут долго храниться без изменения своего состава. Наиболее удобный способ получения бороводородов — прямое восстановление хлористого, бромисто» о и фгористого бора в прис)-гствии гранулированного алюминия нли другого металла„связывающего хлор или бром: 2ВС1» + 3 Н~ + 2 Л1 =- ВяН, + 2 А1С1» Путем пиролиза диборана ВзН~ получаются другие гомологи„в часгиости пснтабораи: В,н.— э В,Н,, Пнролиз производится при температуре 7=448 — 523 К и давлении р =- 0.015 МПа, при времени контакта диборань» с реактором 2,5 — 3 с. Из всех изученных бороводородиых соединений пентаборан В»Нд представляет наиболь»лий интерес. как с энергетической, так н зксплуатационной точек зрения. Испол зование его с фтором обеспечивает увеличение дальности полета на -30 о о по сравнению с кислород-керосиновым топливом (а = 1).
23 Известны также другие соединения металлов с водородом: либаранамин В Н~ХН», гнлрид лития 1лН, аммиакат лития 1 1(ЫН.)„, триметилбар В(СНт)з, тризтилбор В(СзНз)з и др. Однако целесообразность их использования пака не доказана. 3. Жидкие ракетные топлива В современных ЖРД используются в основном двухкампонентные топлива разлельной подачи, в то время как жидкие унитарные топлива находят применение лишь как вспомогательные источники энергии для привода турбанасасных агрегатов, для систем стабилизации полета, в качестве бортовых источников питания (БИП). Объясняется это рядом существенных преимуществ топлив раздельной подачи перед унитарными топливами: 1.
Можно подобрать топливо с высокой теплотой сгорания Н, гик тнастью р,„газовой постоянной продуктов сгорания, а, следовательно, с высокой конечной скоростью полета летательного аппарата 1'„. Применение унитарных топлив с Н, выше некоторого предела сопряжено с взрываопасностью. 2, Безопасность эксплуатации. 3.
Возможность варьирования составом смеси в камере сгорания и газогенераторе, благодаря чему можно реализовывать выголные режимы горения в смысле устойчивости, охлаждения и в энергетическом отношении. Основные характеристики некоторых лвухкомпонентных топлив раздельной подачи приведены в таблице 3. Ввиду гога. чта окислители представляют собой основную часть топлива, принято группировать и именовать их по используемому окнслитеаиа. Топлива на панова кнолоио а н оно~а Пап пи прапаонаны аша КЭ. циолковским. Впервые начали использовать топливо О~ + керосин в тридцатые гадь1 двадцатого века. Несколько позже заролилась нлея об использовании в паре с жидким кислородом в качесгве ракс"гнаго гарючега жидкого метана— первые упоминания об этом встречаются в книге В.П.
Глушко и Г.Э. Ланге- мака более 60 лет назад. Однако высокие температуры в камере сгорания и трудности, связанные с ее охлаждением„ вынудили отказаться от кислородкерасинового топлива, а применение метана (как, впрочем, и водорода)„ сдерживалось из-за низкой плотности и приоритета военных разработок на долго хранимом топливе, Позже, в пятидесятые и шестидесятые годы прошлого века, в связи с разработкой и~~~к ~фф~ктив~~~ методов внутреннего охлаждения„вновь появилась вазможность использования жидкого кислорода с углеводородными и азатсодержащнми горючими, жидким водородом и некоторыми другими.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
