Химмотология ракетных и реактивных топлив (1043407), страница 13

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 13)

Окислители трифторид и пентафторид хлора могут заменить в ряде случаев четырехокись азота, например в топливах для двигательных установок космических аппаратов. Эти окисли­тели наиболее эффективны в паре с аминами и гидразинами

[б].

Основные физические характеристики С1Рз и ClFs приведе­ны ниже [4]:

Окислители в жидком состоянии окрашены: ClF3—в зеле­новато-желтый цвет, C1F5—в светло-желтый.

Рис. 3.16. Зависимо­сть плотности р, дав­ления насыщенных-паров р, динамичес­кой вязкости , по­верхностного натяже­ния  и теплоемкости с трифторида хлора от температуры

Зависимости физических свойств С1Рз и ClF5 от температу­ры представлены на рис. 3.16 и 3.17. Оба окислителя значитель­но менее активны по отношению к большинству металлов, чем жидкие фтор и монооксид фтора. Трифторид хлора можно хра­нить в емкостях из обычной углеродистой стали [б]. Однако на многие неметаллические материалы он действует сильнее, чем жидкий фтор; большинство из них при контакте с ClF5 загора­ется (даже тефлон не рекомендуется применять в контакте с ним, в потоке). В качестве прокладок используют медь, алюми­ний, тефлон, пропитанный фторидом меди [4]. Трифторид хлора менее активен по отношению к конструкционным материалам чем пентафторид хлора; энергетические свойства последнего выше (см. гл. 2, табл. 2.2). Поэтому ClF5 рассматривают как более предпочтительный окислитель по сравнению с ClF5. По­лучают Трифторид хлора при взаимодействии газообразных фтора и хлора в смеси с азотом в медном или никелевом реак­торе при температуре 280 °С с последующим охлаждением сме­си до —70 °С (16]. Получение пентафторида хлора основано на реакции фтора с С1Рз при повышенных температуре и давлении [41 ,

Среди соединений фтора с галогенами определенный инте­рес как окислители представляют пентафторид брома BrF5 и перхлорилфторид СlOзF. BrF5 имеет большую плотность— 2470 кг/м³, сравнительно высокую температуру кипения — (323,8 К) и достаточ-

Рис. 3.17. Зависимость плотности р, давления на­сыщенных паров р, удель­ной проводимости у и ди­электрической проницаемо­сти в пентафторида хлора от температуры

но низкую температуру кристаллизации (212 К). По энергетическим свойствам он пример­но равноценен трифто-риду хлора.

Свойства перхлорилфторида характеризуются следующими показателями:

Это стабильный продукт, который, как и ClF5, можно хра­нить в резервуарах из углеродистой стали. В воде СlOзF мало растворим, гидролизуется в ней с образованием НСlO4 и HF. Перхлорилфторид хорошо смешивается с хлором, хлорфторуг-леводородами, трифторидом хлора; энергично (с самовоспла­менением) взаимодействует с аминами, аммиаком и гидразина­ми. Безводный СЮзР пассивен по отношению ко многим ме­таллам — стали, алюминию, меди, латуни и др., но при попада­нии в него влаги становится коррозионно-активным. Из неме­таллических материалов стойким к нему является тефлон.

Перхлорилфторид относится к веществам средней токсич­ности. Предельно допустимая концентрация его в воздухе про­изводственных помещений составляет 35мг/м³ [4]. По энергети­ческим свойствам СlOзF близок к пентафториду (см. гл. 2, табл. 2.2).

3.3.3. ФТОРИДЫ АЗОТА

К перспективным окислителям этого класса соединений следует отнести Трифторид азота NF5 и тетрафторгидразин N2F4. Оба окислителя—криогенные вещества. Их физические свойства следующие [4]:

Фториды азота NF5 и N2F4 по энергетическим свойствам находятся между жидкими кислородом и монооксидом фтора (см. гл. 2, табл. 2.2). Однако они инертнее последних по отно­шению к металлам, и поэтому легче решать вопросы длитель­ного хранения фторидов азота, например, в космических усло­виях. Токсичность и высокая стоимость этих окислителей пока ограничивают их широкое распространение.

Фторнитрат (нитроксифторид) RNOs известен в качестве од­ного из сильнейших окислителей [б]. Его получают по реакции

Жидкий FNO2 имеет плотность в 1,5 раза большую, чем жидкий кислород. Однако фторнитрат не применяют из-за его недостаточной стабильности и взрывоопасности.

3.3.4. ХЛОРНАЯ КИСЛОТА И ОКСИДЫ ХЛОРА

В качестве ракетных окислителей могут быть использованы безводная хлорная кислота НСlO4 и оксид хлора (VII) CI2O7, характеризующиеся высокой химической активностью [6]. Соли хлорной кислоты (хлораты и перхлораты) широко использу­ют как окислители в смесевых твердых ракетных топливах.

Химически чистая хлорная кислота представляет собой бесцветную, дымящую на воздухе жидкость. Большая плот­ность—1770 кг/м³, низкая температура замерзания—161 К и относительно высокая температура кипения—383 К повышают интерес к ее применению в ракетной технике. Однако при на­гревании выше 363 К хлорная кислота начинает разлагаться с выделением тепла:

При этом продукт окрашивается—от темно-красного до корич­невого цвета. Чистая хлорная кислота не обладает взрывчаты­ми свойствами, но при хранении в ней постепенно накаплива­ются продукты разложения, в частности СЮа, который обладает сильными взрывчатыми свойствами:

Разложение хлорной кислоты носит автокаталитический ха­рактер, что является одним из ее важнейших недостатков. Дру­гой эксплуатационный недостаток этого окислителя—сильная гигроскопичность, приводящая к образованию гидратов и рез­кому повышению температуры кристаллизации; моногидрат НсlO4-Н2О кристаллизуется при 323 К.

При поглощении влаги резко повышается вязкость хлорной кислоты. Органические вещества—амины, гидразины, олефины, бумага, ткани, древесина—при контакте с НС104 самовос­пламеняются, иногда со взрывом. При попадании на кожу хлор­ная кислота вызывает болезненные ожоги. Алюминий и леги­рованная сталь стойки в среде хлорной кислоты, углеродистая сталь сильно корродирует.

Оксид хлора (VII) Cl2O7 при обычных температурах—бес­цветная жидкость, кипящая при 353 К и замерзающая при 190 К; плотность его равна примерно плотности хлорной кис­лоты. При хранении Cl2O7 заметно разлагается с образованием СlO2а и O2; в определенных условиях он тоже взрывоопасен.

Многие органические вещества в контакте с Cl2O7 воспламеня­ются. С водой указанный оксид образует хлорную кислоту. Не­смотря на ряд недостатков, Cl2O7 представляет интерес как ракетный окислитель. Его смесь с четырехокисью азота (15%) является более эффективным окислителем, чем красная дымя­щая азотная кислота [6].

Глава 4

СОСТАВ, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ

И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА

ГОРЮЧИХ И ОДНОКОМПОНЕНТНЫХ ТОПЛИВ

Ракетные горючие представляют собой вещества (или смесь веществ), способные при взаимодействии с окислителями го­реть с выделением тепла и газов. В качестве ракетных горю­чих нашли широкое распространение жидкий водород, углево- дородные соединения, амины, гидразины [4, 14]. Горючие на основе спиртов, применявшиеся на заре развития ракетной техники, в настоящее время практически не используют из-за их низких энергетических характеристик. В качестве перспек­тивных ракетных горючих рассматриваются металлизирован­ные продукты, металлорганические соединения и другие веще­ства.

4.1. СОСТАВ И СВОЙСТВА ВОДОРОДНЫХ ГОРЮЧИХ

4.1.1. ЖИДКИЙ ВОДОРОД

Жидкий водород в паре с жидкими кислородом и фтором позволяет получить максимальные величины удельной тяги (см. гл. 2, табл. 2.2). К настоящему времени созданы промышлен­ные способы производства жидкого водорода и разработаны соответствующие ракетные двигатели, в которых используют это горючее, а также средства его транспортирования и хра­нения [46]. В конце 60-х годов были осуществлены первые по­леты на Луну космических ракет, последние ступени которых работали на жидком водороде. В космических условиях ЖРД, работающие на жидком водороде и жидком кислороде, в 1,5— 4 раза эффективнее двигателей, использующих керосин и жид­кий кислород [4]. За рубежом на жидком водороде разработа­ны и применяют новые ракеты для космических полетов. Жид' кий водород получают сжижением газообразного водорода.

Жидкий водород представляет собой бесцветную прозрач­ную жидкость плотностью 73 кг/м³ при 20 К; с температурой кипения 20,6 К и температурой кристаллизации 14,1 К. Он легче воды в 14 раз, топлива типа керосина—в 11 раз и несим-диметилгидразина — в 9 раз. Ниже даны основные физические свойства водорода [47]:

В газообразном состоянии при обычных и высоких темпера­турах водород существует в виде двух модификаций—орто- и параводород—при их предельном соотношений, равном 3:1 [47]. Существование двух модификаций молекулярного водо­рода обусловлено разной взаимной ориентацией ядерных спи­нов атомов и, следовательно, неодинаковыми значениями вра­щательных квантовых чисел. В молекулах параводорода ядер­ные спины антипараллельны и вращательные квантовые числа четные. Ортоводород имеет параллельные спины и нечетные квантовые числа. Обе модификации водорода обладают раз­ным количеством вращательной энергии, поэтому их теплоем­кости, теплопроводности, давления насыщенных паров и тем­пературы плавления несколько отличные.

При сжижении водорода происходит самопроизвольное медленное превращение орто-парамодификаций. Наиболее стабильный ортоводород превращается в парамодификацию [48]. Жидкий водород, как показано ниже, практически на 100% состоит из параводорода:

Теплота конверсии ортоводорода в параводород составляет 14089,15 кДж/моль и в интервале температур 10—30 К прак­тически не изменяется; при температурах более 90 К она замет­но снижается.

Характерной особенностью жидкого водорода является за­висимость его физических свойств не только от температуры, но и от давления, а также от содержания пара- и ортомоди-фикаций. Например, зависимость плотности жидкого водорода от давления при различных температурах представлена на рис. 4.1, зависимость теплоемкости жидкого водорода от тем­пературы при различных давлениях — на рис. 4.2. Наибольшие различия в теплоемкости отмечаются при давлении 3—4 МП а. Изменения теплоемкости водорода при постоянном давлении

Рис. 4 1 Зависимость плотности жидкого водорода от давления при раз­личных температурах

Характеристики

Список файлов книги