Химмотология ракетных и реактивных топлив (1043407), страница 4

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

Текст из файла (страница 4)

Однокомпонентные ракетные топлива по химическому со­ставу делят на мономолекулярные и смесевые. К мономолеку­лярным однокомпонентным топливам относят вещества, в мо­лекуле которых содержатся как горючие элементы, так и не­обходимый для горения кислород. Такими соединениями явля­ются, например, сложные эфиры азотной кислоты и различных одно-, двух- и трехатомных спиртов (метилнитрат CH₃ONO₂, этилнитрат С₂Н₅ОNO₂, изопропилнитрат С₃Н₇ОNO₂, этиленгли-кольдинитрат C₂H₄(ONO₂)₂, тринитроглицерин С₃Н₅(ОNO₂)₃ и др.), а также нитропарафины (нитрометан СН₃NO₂, нитроэтан C2H₅N0₂, нитропропан С₃Н₇NO₂ и др.) [4]. К однокомпонент­ным топливам могут быть отнесены и эндотермические соеди­нения, выделяющие при своем распаде большое количество тепла и газообразных продуктов (например, гидразин N₂H₄, этиленоксид С₂Н₄О, пероксид водорода Н₂O₂ и др.).

Двухкомпонентные жидкие ракетные топлива, в которых каждый из компонентов подается в камеру сгорания раздель­но, состоят из горючего и окислителя.

Ракетные окислители по химической природе (названию ос­новного элемента) делят на следующие [4, 6, 7, 9]:

кислородные—жидкие кислород O2 и озон Оз, пероксид во­дорода H₂O₂;

азотные—концентрированная азотная кислота НNОз, окси­ды азота N₂0₅, N₂0₄, N₂О₃, N0, N₂0, смеси азотной кислоты с че­тырехокисью азота (тетраоксидом диазота)², тетранитрометан С(N0₂)₄;

фторные—жидкие фтор F₂ кислородные соединения фтора, в частности монооксид фтора OF₂, трифторид хлора СlF₃, пентафторид хлора ClF₅, трифторид азота NF₃, перхлорилфторид СlO₃F, фторнитрат FNО₃, тетрафторгидразин N₂F₄ и др.;

хлорные—жидкий хлор Cl₂, хлорная кислота НсlO₄ и ок­сиды хлора, в частности CI₂O₇.

Ракетные горючие по химическому составу подразделяют на [4, 9]:

водородные—жидкий и шугообразный водород Н2;

углеводородные—нефтяного происхождения типа RPi,

Jp-l,,Jp-4, T-1 и синтетические, как правило, в виде индивиду­альных соединений, в частности, циклического строения, а так­же жидкие метан СН4 и пропан С3Н8; к углеводородным горю­чим могут быть отнесены и спирты — метанол СН3ОН, этанол C2H5OH и изопропанол С3Н7ОН, фурфуриловый спирт С5Н6О2;

гидразинные—гидразин N2F4 и его алкилпроизводные, в частности несим-диметилгидразин (CH3)2N—NH2 (НДМГ), монометилгидразин СН3N—NН2 и фенилгидразин C6H5N—NH2, Аэрозин-50, являющийся смесью гидразина и НДМГ в соотно­шении 1:1, гидразиназиды и др.;

аминные—жидкий аммиак NНз, индивидуальные амины, например анилин C6H5NH2, этиламины—моно-C2H5NH2, ди-(C2H5)2NH и триэтиламин (С2Н5)3N, диэтилентриамин и др., смеси алифатических и ароматических аминов, в частности, смесь триэтиламина и изомерных ксилидинов (СН3)2С6Н5NН2 в соотношении 1:1, и др.;

бороводородные—соединения типа боранов ВnНn+4, напри­мер декарборан B10H14 и диборан В2Н6, дигидроборанов ВnНn+6, например пентаборан B5H11, и др.;

металлсодержащие—гомогенные соединения типа триэтил- алюминия, гидридов (MH2) и боргидридов М(ВН4)n алюминия, лития и бериллия (n—валентность металла) и гетерогенные металлизированные суспензии указанных металлов в гидрази­не и углеводородах. Классификация жидких ракетных топлив, основанная на их компонентном составе и химическом строении, представлена на рис. 2.1.

По принципу воспламенения в камере сгорания ЖРД двух­компонентные ракетные топлива делят на самовоспламеняю­щиеся и несамовоспламеняющиеся [б]. К первым относят такие компоненты ракетных топлив, при контакте которых в обычных температурных условиях протекает химическая реакция с вы­делением большого количества тепла, достаточного для воспла­менения топливной смеси. Например, это следующие топливные пары: красная или белая дымящая азотная кислота и анилин или аминное горючее, четырехокись азота и гидразин или несим-диметилгидразин, пероксид водорода и фурфуриловый спирт, фтор и аммиак и др. К несамовоспламеняющимся отно­сят топлива, компоненты которых (окислитель и горючее) при контакте не воспламеняются, и поэтому для зажигания смеси требуется специальный источник. Примерами несамовоспламеняющихся топлив являются жидкие кислород и водород» жид­кий кислород и углеводородные горючие, окислители на основе азотной кислоты и горючее типа керосина.

По своему прямому назначению жидкие ракетные топлива подразделяют еще на основные, пусковые и вспомогательные. Основными называют топлива, используемые для сжигания в камере сгорания и получения необходимой тяги двигателя, пус­ковыми — для воспламенения в камере сгорания несамовоспламеняющихся компонентов топлива, вспомогательными—для обеспечения функционирования вспомогательных агрегатов ЖРД (турбонасосного агрегата, жидкостного аккумулятора давления и др.) [б].

2.2. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ЖИДКИМ РАКЕТНЫМ ТОПЛИВАМ

История развития жидкостных ракетных двигателей неразрыв­но связана с поиском и испытаниями жидких ракетных топлив, от свойств и качества которых зависят скорость, дальность и высота полета ракеты. Из большого числа изученных соедине­ний лишь относительно небольшое количество веществ получи­ло применение в ракетной технике. Это обусловлено особыми и весьма разнообразными требованиями, предъявляемыми к жидким ракетным топливам. В основе этих требований лежат:

обеспечение экономичной и эффективной работы ЖРД, лег­кость его запуска, устойчивое горение топлива в двигателе, эф­фективное охлаждение камеры сгорания, безотказная работа топливоподающей системы, надежность эксплуатации ракеты в различных условиях, в том числе экстремальных, удобство и безопасность обращения с топливами на всех этапах передви­жения от завода-изготовителя до ракеты, стабильность топли­ва при хранении и др. [2, 6]. Говоря о требованиях к ЖРТ, имеют в виду прежде всего требования к их эксплуатационным свойствам. При этом одним из важнейших является требование к энергетическим свойствам топлив.

Для ракетной техники представляют интерес только те ве­щества (компоненты), которые обеспечивают при сгорании в двигателе получение необходимой удельной тяги, т. е. обладают достаточно большим запасом энергии, которая высвобождается в камере сгорания двигателя и превращается в кинетическую энергию истечения газообразных продуктов сгорания через сопло. Скорость истечения газов из сопла ЖРД и можно опре­делить по формулам [6]:

Зная скорость истечения газов и, нетрудно определить тягу двигателя Рдв по формуле

Для характеристики жидких ракетных топлив обычно ис­пользуют понятие удельной тяги (Руд), т. е. тяги, отнесенной к единице расхода топлива (Руд=Рдв/G).

Удельная тяга (Руд, с) может быть найдена по формуле Глушко [6]:

Иногда в литературе применяют термин "удельный импульс тяги'', фи­зический смысл которого аналогичен понятию удельной тяги. В данной кни­ге удельная тяга для удобства выражается в секундах, как это широко при­нято в технической литературе, хотя правильнее ее размерность показывать в Н-с/кг, где Н—единица измерения силы тяги.

Для определения Руд можно пользоваться также формулой [4, 10]:

Таким образом, удельная тяга двигателя, характеризующая энергетические свойства топлива, определяется в основном его теплотворной способностью и плотностью, количеством, темпе­ратурой и молекулярной массой газообразных продуктов сго­рания, степенью их расширения при истечении из сопла, тер-

Рис. 2.2. Зависимость удельной тяги ЖРД от давления в камере сгорания рк для различных топлив:

/—керосив+кислород; 2 — этанол+кислород; 3—керосив+красная дымящая азотная кислота; 4 — керооин+белая дымящая азотная кислота

Рис. 2.3. Зависимость объемной удельной тяги Руд" ЖРД от теплоты сго­рания топлив различной плотности:

/—3 — плотность 500, 1000 и 1500 кг/м³ соответственно

мическим к.п.д. двигателя. Удельная тяга двигателя увеличива­ется с уменьшением соотношения Рс/Рк, поэтому энергетические свойства топлив оценивают и сравнивают при определенных значениях Рс и Рк. На рис. 2.2 показана зависимость удельной тяги от давления в камере сгорания при Рс=0,1 МПа и коэф­фициенте избытка окислителя а=0,8 для различных топлив. За­висимость объемной удельной тяги³ Руд" (Н*с/л) от теплоты сгорания топлив разной плотности изображена на рис. 2.3.

Теплопроизводительность жидких ракетных топлив опреде­ляется разностью между теплотами образования конечных про­дуктов сгорания топлива и исходных компонентов. Газовая постоянная R продуктов сгорания зависит от их состава — средней молекулярной массы. При равной теплопроизводительности топлив чем меньше их средняя молекулярная масса, тем больше удельная тяга двигателя. В связи с этим максимальная удельная тяга обычно достигается при соотношении компонен­тов топлива (окислителя и горючего), отличном от стехиометрического, характеризуемого максимальным выделением энергии. Поэтому при сравнении энергетических свойств ракетных топ­лив берут соотношение компонентов в них, обеспечивающее получение максимальной удельной тяги (рис. 2.4).

Удельная тяга двигателя характеризует энергетические свойства топлива с позиции термодинамической эффективности. Конструкторов—создателей ракет—и химмотологов интересуют эти свойства по конечному результату, т. е. достижению максимальной дальности полета ракеты или доставки максимально возможного полезного груза на заданную высоту (орбиту). И то и другое при оценке эффективности топлив определяется в итоге максимальной скоростью ракеты в конце активного участка траектории ее полета, по окончании работы двигателя. Эта скорость на основании известного уравнения Циолковского может быть найдена по формуле [4]:

где Vб—объем топливных баков, м³; тр— масса ракеты без топлива, кг;

рt — плотность топлива, кг/м³.

Как видно из уравнения, максимальная скорость ракеты и, следовательно, эффективность - топлива применительно к кон­кретной конструкции ракеты (Vб/mр=const) определяются удельной тягой двигателя и плотностью топлива. Значения максимальной (расчетной) скорости полета ракеты при исполь­зовании топлив различных видов приведены в табл. 2.1 [4).

Рис. 2.4. Зависимость удельной тяги ЖРД от со­отношения компонентов в топливах, образованных разными окислителями с водородом (а), керосином (б) и НДМГ (в)

Характеристики

Список файлов книги