Химмотология ракетных и реактивных топлив (1043407), страница 14

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

Текст из файла (страница 14)

Рис. 4.2. Зависимость теплоемкости жидкого водорода от температуры при различных давлениях (цифры у кривых, МПа)

(Ср) и при постоянном объеме (cv) в зависимости от темпера­туры могут быть рассчитаны по уравнениям

Зависимости динамической вязкости, а также диэлектриче­ской проницаемости, теплопроводности и поверхностного натя­жения жидкого водорода от температуры приведены на рис. 4.3. Изменения этих же свойств жидкого водорода в зависимо-

Рис. 4 3 Зависимость диэлектрической проницаемости , теплопроводности , поверхностного натяжения  и вязкости ) жидкого водорода от темпе­ратуры

Рис. 4.4. Зависимость давления насыщенных паров жидкого водорода от температуры:

P1. P2 и р — давления для соответствующих температур T1, T2 и Tз

сти от температуры (Т) могут быть вычислены по следующим уравнениям:

На рис. 4.4 представлена зависимость давления насыщен­ных паров жидкого водорода от температуры.

Наибольшим давлением насыщенных паров характеризует­ся параводород. Чем выше температура, тем более заметна разница в давлении насыщенных паров параводорода и нор­мального водорода. Давление насыщенных паров (р) жидкого водорода в зависимости от температуры (Т) можно вычислить по уравнению (гПа):

Удельная теплота испарения (q, кДж/кг) жидкого водорода в зависимости от температуры в интервале от 14 до 24 К может быть найдена по формуле: q=922— 0,27 (T—16,6)².

При хранении больших объемов жидкого водорода важное значение приобретает коэффициент его термического расшире­ния а, который зависит от температуры:

Водород способен адсорбироваться на поверхности метал­лов. Диффузия водорода в металлы возрастает с повышением температуры и давления. При атмосферном давлении диффу­зия водорода в железо начинается при 400 °С и резко возра­стает при температурах 1450—1550 °С, когда в одном объеме железа растворяется до двух объемов водорода. Это связано с тем, что при 1539 °С железо плавится. Наибольшая раство­римость водорода в палладии, в одном объеме которого мо­жет раствориться 850 объемов водорода. Диффузия водорода в металлы ухудшает их твердость, термическую стойкость, те­кучесть, электрическую проводимость, магнитные и другие свойства. При растворении водорода в углеродистой стали в ней появляются пузырьки и трещины вследствие газовой во­дородной коррозии. Последняя возникает при декарбонизации углеродистого сплава по схеме: Fe2C+2H2=2Fe+CH4. Этот процесс устраняется путем легирования стали добавкой хрома, молибдена, вольфрама, ванадия и других элементов [49].

В условиях нормальных и отрицательных температур водо­род мало активен. Его реакционная способность сильно возра­стает при нагревании, под воздействием ультрафиолетового и

радиоактивного облучения, а также в присутствии катализато­ров. Повышение активности водорода связано с образованием атомарного водорода, обладающего высокой реакционной спо­собностью.

Водород энергично взаимодействует с окислителями. Так, взрывом сопровождается реакция водорода с фтором при тем­пературе —252 °С даже в темноте. С хлором и бромом водород реагирует лишь на свету или при нагревании, а с иодом — только при нагревании. Контакт жидкого водорода с жидким кислородом может сопровождаться взрывом [50].

Водород обладает высокой термической стабильностью. За­метное разложение его на атомы происходит только при тем-лературах выше 2500—3000 °С. В ряде ЖРД водород исполь­зуют для охлаждения стенок камер сгорания и реактивного сопла [4].

Жидкий водород (и другие криогенные компоненты) ракет­ных топлив в баках ракет в условиях космоса склонны к теп­ловому расслаиванию. Для предотвращения этого явления в США предложено перемешивать криогенные компоненты ра­кетных топлив с помощью струи продукта, подаваемой вдоль оси бака [51].

4.1.2. ШУГООБРАЗНЫЙ, ГЕЛЕОБРАЗНЫЙ И ТВЕРДЫЙ ВОДОРОД

Для увеличения дальности и продолжительности полетов со­временных и перспективных орбитальных, лунных и'межпланет­ных космических кораблей необходимо улучшать эксплуата­ционные свойства жидкого водорода. В первую очередь имеет­ся в виду снижение испаряемости и повышение плотности до-дородного горючего. С этой целью в последние годы разрабо­таны три новых вида водородного горючего: шугообразный, гелеобразный и твердый [52—54].

Шугообразный водород представляет собой жидкий продукт, в составе которого содержится 39—59% твердого водорода. Применение шугообразного водорода на космических кораблях типа «Аполлон» может увеличить полезную нагрузку прибли­зительно на 5800 кг.

Большие трудности возникают при хранении, перекачивании и заправке ракет шугообразным водородом. Для обеспечения длительного хранения его в условиях полета необходима высо­коэффективная изоляция. Перекачивать шугообразный водород по теплоизолированным трубам можно центробежными насоса­ми или путем выдавливания. Если содержание твердой фазы менее 40%, шугообразный водород перекачивают по трубопро­водам как обычную ньютоновскую жидкость. При содержании твердого водорода более 40% потери давления в трубопрово­дах увеличиваются, и по характеру перекачивания продукт приближается к суспензиям. В уровнях перекачивания шуго-образного водорода с содержанием твердой фазы менее 40% потери давления в трубопроводах такие же, как и при пере­качивании жидкого водорода. Напорные и кавитационные характеристики перекачивающих центробежных насосов для жидкого и шугообразного водорода будут идентичными [55]. Замена жидкого водорода шугообразным позволит не только увеличить на 40% полезную нагрузку, но и в 10 раз сократить потери водорода на дренаж в наземных и космических усло­виях.

С целью сокращения потерь жидкого водорода от испаре­ния в последнее время уделяется большое внимание получению гелеобразного водорода. Лучшие результаты в этом направле­нии получаются при желатинизации шугообразного водорода [56]'. Количество гелеобразующего агента прямо пропорцио­нально содержанию жидкости в шугообразном водороде. Раз­работаны способ получения гелеобразного водорода и усло­вия его стабилизации.

Несомненный интерес для космических полетов представ­ляет использование в ракетной технике твердого водорода, что-позволит дополнительно увеличить полезную нагрузку и уменьшить потери водорода от испарения. На базе твердого водорода при высоких давлениях и низкой температуре можно получить водород, обладающий свойствами металла. Установ­лено, что для получения такого водорода необходимо создавать давление при прессовании твердого водорода (0,8— 2,6) • 10^s МПа. Металлообразный водород считается перспек­тивным горючим для ракетной космической техники [57].

4.2. СОСТАВ И СВОЙСТВА УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГОРЮЧИХ

Использование углеводородных соединений в качестве ракет­ного горючего было предложено К. Э. Циолковским еще в 1914 г. [1, 4], и до настоящего времени они широко применяют­ся в ракетной технике. Высокие энергетические характеристи­ки, наличие сырьевой и производственной базы, относительно невысокая стоимость и малая токсичность, а также большой опыт использования этих горючих в двигателях других типов предопределили повышенный интерес к ним как к горючим для жидкостных ракетных двигателей. Наибольшее распростра­нение получили горючие типа керосина на основе дистиллятов прямой перегонки нефти (фракция 140—280 °С) и продуктов вторичной ее переработки. Применяют также горючие широ­кого фракционного состава с температурой выкипания 65— 280 °С, в составе которых находятся бензиновые и лигроиновые фракции (табл. 4.1) '[58].

Для улучшения эксплуатационных свойств, и в первую оче­редь энергетических, а также повышения стабильности углево­-

дородные горючие подвергают глубокому гидрированию. В про­цессе гидрирования снижается содержание ароматических угле­водородов и олефинов. Деароматизированные горючие обладают высокими скоростью и полнотой сгорания, а также лучшими низкотемпературными свойствами [4].

В последнее время повышенный интерес проявляется к син­тетическим углеводородным горючим, которые представляют собой индивидуальные углеводороды либо смесь нескольких углеводородов с заданными энергетическими

характеристиками и эксплуатационными свойствами. Как правило, это—эндо­термические соединения с повышенной плотностью. Энергия, затраченная на образование таких соединений, дополнительно выделяется при их сгорании в камере двигателя [59, 60].

Состав горючих. Углеводородные ракетные горючие обычно включают лигроиновые, керосиновые и частично газойлевые фракции нефти. В. горючее широкого фракционного состава входят также бензиновые фракции с пределами выкипания 65—180 °С [14]. По способу производства горючие делят на прямогонные, гидрированные, крекинговые и синтетические.

Углеводородный состав прямогонных ракетных горючих зависит от их фракционного состава и сорта перерабатываемой нефти (табл. 4.2) [61, 62]. Элементный состав углеводородных горючих представлен в табл. 4.3.

В качестве примесей в углеводородном горючем присут­ствуют сера, азот- и кислородсодержащие соединения, вклю­чая смолистые вещества, растворимые в горючем. Содержание этих примесей невелико, однако в ряде случаев они отрица­тельно влияют на эксплуатационные свойства горючего. Содер­жание органических соединений серы может составлять 0,5—1,5%, азоторганических соединений—до 0,12%, кислородсо­

держащих—0,1—0,25% и смолистых веществ—0,005—0,025% [63]. Кроме того, в виде коллоидных и мелкодисперсных частиц размером 20 мкм в горючем имеются (до 0,0003%) твердые микрозагрязнения. Это продукты коррозии железа и минеральные примеси, включающие соединения кремния, кальция, магния, алюминия и натрия [62—64]. В углеводородных горючих в растворенном виде присутствуют также вода (0,003—0,009%) и кислород (0,0052—0,007%) [65].

Состав и физико-химические свойства высокоплотных син­тетических ракетных горючих представлены в табл. 4.4. Структуры углеводородов, входящих в эти топлива, показаны ниже:

Характеристики

Список файлов книги