Химмотология ракетных и реактивных топлив (1043407), страница 18
Текст из файла (страница 18)
В качестве высокоэнергетического взрывобезопасного и нетоксичного однокомпонентного ракетного топлива может рассматриваться этилкарбонат. Для улучшения его разложения в камерах сгорания ЖРД на 1 моль этилкарбона-та добавляют 0,001—0,1 моль хлорированных алифатических или ароматических углеводородов, выкипающих выше 200 °С, в частности гексахлорциклогек-сан, гексахлорэтан, декахлорбутан, полихлордифенил или тетрахлорбензол [4]. Топливо бесцветно, не имеет запаха, негигроскопично, кристаллизуется при 36 °С, выкипает при 248 °С и не вызывает коррозии средств хранения и транспортирования. В отсутствие катализатора и воды топливо стабильно при нагревании до 100 °С. При разложении в присутствии катализатора в условиях нагрева каждый моль этилкарбоната образует по 1 моль СО2, СО и СН4. Реакция разложения топлива экзотермична и сопровождается быстрым повышением температуры и давления в камере сгорания двигателя. Температура в камере сгорания при разложении этилкарбоната достигает 2000 °С, при этом скорость газового потока в реактивном сопле составляет 1950 м/с, а удельная тяга — 200 с.
В качестве перспективных мономолекулярных ракетных топлив предло- жены топлива на основе полинитроаминов, полигидроксинитросоединений, тет-рацианоэтиленоксида, эфиров полинитрованных двухосновных карбоновых кислот, 1,2,3-три(дифторамино) пропана и жидких фторированных углеводородов [4].
Характеристики горения и взрываемости однокомпонентных ракетных топлив во многом зависят от их строения, кислородного баланса и теплоты сгорания. Для алкилмононитратных топлив по мере увеличения алкильного радикала снижаются величина кислородного баланса и теплота сгорания, уменьшается их взрывоопасность. С увеличением числа атомов углерода в алкильном радикале от СН3 до С3Н7 кислородный баланс и теплоты сгорания снижаются примерно в 3 раза. В соответствии с этим изопропилнитрат не воспламеняется при нормальных условиях даже в контакте с кислородом, и его воспламенение происходит только при давлении более 0,6 МПа и только от постороннего источника зажигания. Он не чувствителен к удару, трению, не детонирует и спокойно сгорает. Вследствие отрицательного кислородного баланса изопропилнитрат сгорает не полностью; температура вспышки его равна 12°С, а пары с кислородом воздуха взрываются в широком диапазоне объемных концентраций—от 2 до 100% [6, 87].
Увеличение в составе алкилнитратных ракетных топлив нитратных групп повышает кислородный баланс, теплоту сгорания и взрываемость. Так, введение второй группы ONO2 в этилнитрат более чем вдвое увеличивает кислородный баланс горючего, который достигает стехиометрического. Одновременно с этим в 2 раза повышается и теплота сгорания. Соединение с тремя нитратными группами—тринитроглицерин—имеет уже в 3 раза большие кислородный баланс и теплоту сгорания в сравнении с изопропилнитратом. В результате этого алкилди-
и алкилтринитраты обладают повышенной взрываемостью. Они могут взрываться от удара, трения, резкого повышения температуры и давления, попадания загрязнений и др.; горение этих топлив легко переходит в детонацию. Для снижения взры-ваемости алкилнитратных ракетных топлив в них добавляют флегматизаторы [88]. Алкилнитратные однокомпонентные ракетные топлива отличаются высокой скоростью сгорания, которая зависит от температуры и давления [4].
При использовании этиленоксида в качестве однокомпонентного топлива для парогазогенераторов ЖРД с целью снижения нагарообразования предлагается вводить в топливо 0,2— 0,8% серы в виде сернистых соединений типа сероуглерода, диметил- и диэтилсульфидов, диметилсульфоксида, тиофена, тиофана, 1,4-дитиана или сим-тритиана [4]. Для снижения температуры парогаза к этиленоксиду добавляют около 10 % 1,4-диоксана в качестве охлаждающего агента, а с целью улучшения воспламеняемости топлива—5—18% нитрометана. Для предотвращения под влиянием сернистых соединений коррозии парогазогенераторов, изготовленных из легированной стали, их внутренние стенки подвергают пассивации при температуре 750—850 °С в течение 2 ч газовой смесью на основе азота, гелия или аргона с добавкой 0,4—5,0% сероводорода. При работе парогазогенератора в течение 5 ч на этиленоксиде с добавкой 1% диметилсульфоксида при температуре газовой смеси 900 °С и давлении 3,8 МПа не наблюдается отложения нагаров на стенках и выходном сопле.
В качестве однокомпонентных топлив для парогазогенераторов ЖРД был предложен метилацетилен [4]. Он имеет температуру кипения 23 °С и взрывоопасен в присутствии каталитически активных металлов—меди, серебра и др. Удельная тяга при использовании метилацетилена в качестве однокомпонентного топлива составляет 186 с.
Вопросам разложения и сгорания однокомпонентных ракетных топлив постоянно уделяется большое внимание. С. М. Ильяшенко [4] показал, что при улучшении распылива-ния таких топлив и увеличении прироста температуры скорость испарения и сгорания топлив повышаются, а время сгорания и необходимая длина камеры уменьшаются. Скорости испарения и сгорания однокомпонентных топлив возрастают с увеличением массового расхода топлива и уменьшаются с ростом теплоемкости и вязкости газов, а также с увеличением плотности топлива и давления в камере ЖРД (табл. 4.11).
Гидразин как однокомпонентное ракетное топливо с иридиевым катализатором разложения «Шелл-405» (около 30% иридия и 70% оксида алюминия) применяют за рубежом в двигателях коррекции искусственных спутников Земли, в двигателях коррекции космических аппаратов, в индивидуальных двигателях для передвижения космонавтов и др. [89—93]. Физико-химические и эксплуатационные свойства гидразина приведены
в гл. 1 (см. разд. 1.5). Жидкостные ракетные двигатели, работающие на гидразине, надежны и безопасны в эксплуатации, имеют большой срок службы и легко запускаются повторно. Задержка воспламенения при экзотермическом разложении гидразина составляет 0,01 с [91].
Экзотермическая реакция разложения гидразина протекает с выделением 46 кДж тепла на 1 моль продукта. При каталитическом разложении состав продуктов и их температура зависят от времени пребывания продукта в каталитическом пакете, которое, в свою очередь, определяется длиной пакета, рабочим давлением и массовой скоростью потока на единицу площади поверхности катализатора. В присутствии катализатора гидразин разлагается с образованием аммиака и азота, при этом аммиак разлагается далее на азот и водород:
При такой степени разложения аммиака использование горячих газов в двигателях наиболее эффективно.
Топливные баки ракет для гидразина за рубежом изготавливают из титанового сплава, содержащего 6% алюминия и 4% ванадия. На спутниках, управляемых по трем осям, гидразин помещают в резиновые емкости, изготовленные из бу-тилкаучука. Из этих емкостей, помещенных в баке из титанового сплава, гидразин выдавливается инертным газом, подаваемым внутрь бака. Бутилкаучук обладает высокой стойкостью к гидразину [92, 93]. Для изготовления разделительных емкостей и диафрагм в гидразиновых топливных баках лучшими материалами являются сополимеры этилена, пропилена и углеводородной смолы. Трубопроводы для подачи гидразина в камеру сгорания и регулирующие клапаны выполняют из титанового сплава или легированной стали. В линиях подачи гидразина в ЖРД за рубежом устанавливают 2- и 10-микронные фильтры, изготовленные из легированной стали или пористого полимерного материала [93—96].
Температура газов разложения на выходе 'из каталитического пакета обычно бывает менее 980 °С. Реакция разложения гидразина на иридиевом катализаторе представляет собой диффузионный процесс, лимитируемый скоростью разложения
гидразина. Состав продуктов разложения гидразина изменяется по длине слоя катализатора. При установившемся режиме гидразин разлагается на первых 5—10% длины слоя катализатора, и в состав продуктов разложения входит 10—20% аммиака, 30% азота и 50—60% водорода.
В США рассмотрена возможность использования в качестве однокомпонентного топлива гидразина с добавкой гидразиназида N2H3-N3 В результате проведенных исследований установлено, что температуру кристаллизации гидразина можно понизить добавкой до 28% гидразиназида. Смесь гидразина с 21,8, 24,6 и 27,6% гидразиназида нечувствительны к удару и более термостабильны, чем гидразин Плотность и кинематическая вязкость смесей выше, чем у чистого гидразина При испытаниях в ЖРД средняя температура газов для смеси гидразина с 20% гидразиназида была на 115°С выше, чем для продуктов разложения гидразина. Эта же смесь позволила получить более высокие энергетические характеристики Она удовлетворительно воспламеняется в вакууме при температурах топлива и катализатора значительно более низких, чем температура кристаллизации гидразина [97, 98]
В ФРГ в качестве однокомпонентного топлива разработана рецептура, содержащая 24,41—43,66% N2H4, 25,77—68,02% C2H5OH и 4,38—35,04% H2NNHCH3, с температурой вспышки ниже 25 °С для использования в ЖРД с каталитической камерой разложения.
В США предложено получать гелеобразный гидразин путем добавки к нему около 5% эфира на основе целлюлозы и около 1% гидроксиэтилцеллюлозы. Разработано высокоэнергетическое однокомпонентное топливо на основе гидразина с добавкой 49,8% гидрида алюминия, микрочастицы которого имеют покрытие из сополимера арилен- или алкиленгидразина и арилен-или алкилендиизоцианата. Покрытие предотвращает разложение гидразина на поверхности частиц гидрида алюминия и повышает химическую стабильность топлива, имеющего вязкость 24 мПа-с при напряжении сдвига 17300 с-1 [4].
Смесевые однокомпонентные ракетные топлива. С целью повышения энергетических характеристик однокомпонентных ракетных топлив развернуты работы по получению смесевых топлив. К таковым могут быть отнесены смеси алкйлнитратов и нитропарафинов с окислителями типа концентрированных азотной и серной кислот, пероксида водорода и др. Добавка окислителей повышает кислородный баланс и теплоту сгорания однокомпонентных топлив и увеличивает удельную тягу. Введение в нитрометан 38% азотной кислоты, 48% 'пероксида водорода или 28% жидкого кислорода способствует повышению удельной тяги на 36—60 с [4]
Применение однокомпонентных топлив на основе нитрометана в комбинации с жидким кислородом и пероксидом водорода обеспечивает устойчивый процесс горения топлива Использование смесевых топлив повышает надежность воспламенения и снижает взрывоопасность топлив при их воспламенении в камерах сгорания жидкостных ракетных двигателей В качестве смесевых однокомпонентных ракетных топлив кроме комбинации на основе нитрометана были изучены смеси нитропропана и азотной кислоты Топлива получали на базе технического нитропропана, содержащего 32% 1-нитропропана, 43% 2 нитропропана, 26% нитроэтана и 9% нитрометана
В качестве высокоэнергетических смесевых иднокомпонентных ракетных, топлив предложены также смеси, содержащие окислитель из неорганических кислот (например, 70%-ю азотную кислоту или ее смесь с перхлорной кислотой) и горючее—четвертичные аммониевые основания (N,N'-диметил-триэтилендиаммоний-, N,N-диэтилтриэтилендиаммоний-, N-этил-N'-метилтри-этилендиаммоний-, тетраметиламмоний- или тетраэтиламмоний нитраты; N.N.N.N'.N'.N'-reкcaмeтилпрoпaн- или N,N,N,N',N',N'-гексаметилбутан-1,З-диаммонийдинитраты и др) [4] Топливо, полученное на основе указанных четвертичных аммонийных оснований и безводной азотной кислоты, обладает высокой термической стабильностью имеет температуру кристаллизации от —31 до 69 °С и вязкость, обеспечивающую его прокачивание по топливным системам ЖРД до температуры —40 °С (4].
В качестве компонентов смесевых однокомпонентных топлив могут использоваться также вторичные тетраалкиламмонийнитраты, спиро- и ди-спирочетвертичные аммониевые основания [4] Такие однокомпонентные ракетные топлива можно применять в арктических условиях и при полетах. на больших высотах Для получения однокомпонентных ракетных топлив в смеси с 70%-й азотной кислотой могут использоваться низкомолекулярные нитропарафины, перхлорированные аминосоединения типа перхлоратов пиридина, пиперидина или аминов [4].
Смесевые однокомпонентные ракетные топлива, полученные на основе азотной кислоты, нитратов, динитратов и четвертичных аммониевых оснований, недостаточно стабильны в условиях хранения. С целью повышения стабильности в их состав вводят в качестве стабилизаторов перхлорат аммония, нитрат аммония, калия или натрия в количестве до 10% [4]. Для улучшения характеристик горения в однокомпонентное топливо можно вводить 5% алюминия или магния, а также безводный аммиак, низшие алкиламины (с числом углеродных атомов более двух), перхлорат аммония, низшие спирты или нитрат монометиламина. Топливо подобного состава обеспечивает получение удельной тяги порядка 215 с при давлении в камере сгорания двигателя 21 МПа [4].
Стабильным в условиях хранения является однокомпонентное топливо, представляющее собой смесь гидразинов и гидра-зинполигидродекаборатов. Такое топливо обладает высокой термической стабильностью и повышенными энергетическими характеристиками Его можно использовать в ракетных двигателях с добавкой небольших количеств окислителей—четырехокиси азота, оксида фтора и др.
Для улучшения эксплуатационных характеристик в однокомпонентное топливо вводят депрессанты—сероводородную, цианистую и другие кислоты При нагревании в течении нескольких часов при 95—100 °С такое топливо может храниться в емкостях, предназначенных для транспортирования и хранения гидразина.
В качестве перспективных топлив для жидкостных ракетных двигателей могут найти применение геле- и пастообразные смесевые однокомпонентные топлива. Они могут содержать твердый полиолефиновый полимер, измельченный до 1— 500 мкм, и окислитель типа четырехокиси азота, пероксида водорода, красной или белой дымящей азотной кислоты [4]. Ге-
леобразное топливо подается в камеру сгорания двигателя под давлением азота или с помощью насосной системы. Оно имеет температуру воспламенения 650—760 °С и обладает хорошей стабильностью как при нормальных температурах, так и при .нагревании его до 70 °С.
Глава 5
ХРАНЕНИЕ, ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ, ПЕРЕКАЧИВАНИЕ И НЕЙТРАЛИЗАЦИЯ ТОПЛИВ
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
