Химмотология ракетных и реактивных топлив (1043407), страница 5

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

Текст из файла (страница 5)

Энергетические характеристики применяемых и перспективных двухкомпонентных ЖРТ приведены в табл. 2.2 [4, 10—12].

Из приведенных в табл. 2.2 данных следует, что наилучши­ми энергетическими свойствами (максимальной удельной тягой) обладают топлива на основе жидкого водорода и таких окис­лителей, как жидкий фтор, монооксид фтора и кислород. В па­ре с указанными и другими окислителями обеспечивают высо­кую удельную тягу гидриды легких металлов — лития, бериллия и алюминия, а также сами эти металлы. Добавление последних в горючие—жидкий водород, гидразин, керосин—может зна­чительно улучшить энергетические свойства топлив. Ряд авто­ров [13] считает, что в перспективе энергетические свойства ЖРТ будут повышены за счет создания суспензий металлов (Li, Be, A1) в ракетных горючих. Наибольшая удельная тяга достигается при использовании топлива, в котором окислите­лем служит озон, а в качестве горючего применяют суспензию бериллия в жидком водороде [4]. Углеводородные горючие, в частности керосин (см. табл. 2.2), наиболее эффективно приме­нять в паре с жидким кислородом, фтором и монооксидом фто­ра. По энергетическим характеристикам представляют также интерес топлива: B5H9+F2 (или OF2), NH3+F2, N2H4+F2, BeH2+H2O2, АlH3+Н2О2 и некоторые другие.

Энергетические свойства топлив, как уже указывалось вы­ше, определяются не только теплотой их сгорания, но и хими­ческим составом, а также термодинамическими свойствами про­дуктов сгорания. Чем меньше молекулярная масса продуктов сгорания и склонность их к диссоциации, тем эффективнее в энергетическом отношении топливо. Например, жидкие фтор и аммиак лучше топлива, состоящего из жидкого фтора и керо­сина, так как во втором случае на базе фтора и углерода в продуктах сгорания образуются соединения CF4, C2F2, CF3, CF2,

Энергетические характеристики применяемых и перспективных двухкомпонентных ЖРТ приведены в табл. 2.2 [4, 10—12].

Из приведенных в табл. 2.2 данных следует, что наилучши­ми энергетическими свойствами (максимальной удельной тягой) обладают топлива на основе жидкого водорода и таких окис­лителей, как жидкий фтор, монооксид фтора и кислород. В па­ре с указанными и другими окислителями обеспечивают высо­кую удельную тягу гидриды легких металлов — лития, бериллия и алюминия, а также сами эти металлы. Добавление последних в горючие—жидкий водород, гидразин, керосин—может зна­чительно улучшить энергетические свойства топлив. Ряд авто­ров [13] считает, что в перспективе энергетические свойства ЖРТ будут повышены за счет создания суспензий металлов (Li, Be, A1) в ракетных горючих. Наибольшая удельная тяга достигается при использовании топлива, в котором окислите­лем служит озон, а в качестве горючего применяют суспензию Сериллия в жидком водороде [4]. Углеводородные горючие, в частности керосин (см. табл. 2.2), наиболее эффективно приме­нять в паре с жидким кислородом, фтором и монооксидом фто­ра. По энергетическим характеристикам представляют также интерес топлива: B5H9+F2 (или OF2), NH3+F2, N2H4+F2, BeH2+H2O2, АlHз+Н2О2 и некоторые другие.

Энергетические свойства топлив, как уже указывалось вы­ше, определяются не только теплотой их сгорания, но и хими­ческим составом, а также термодинамическими свойствами про­дуктов сгорания. Чем меньше молекулярная масса продуктов сгорания и склонность их к диссоциации, тем эффективнее в энергетическом отношении топливо. Например, жидкие фтор и аммиак лучше топлива, состоящего из жидкого фтора и керо­сина, так как во втором случае на базе фтора и углерода в продуктах сгорания образуются соединения CF4, C2F2 CF3, CF2,

которые подвергаются сильной диссоциации с поглощением теп­ла (рис. 2.5) [7]. При максимальной удельной тяге в составе продуктов сгорания топлива жидкий фтор+керосин имеется свободный углерод твердый (Ст*) и в виде паров (Сп), не вступающий в реакцию с фтором. Поэтому в паре с керосином предпочтительнее применять окислитель OF2, который обеспе­чивает соединение водорода с фтором, а углерода с кислоро­дом.

Таким образом, одним из требований к ракетным топливам

Рис. 2.5. Состав продуктов сгорания топлива фтор-керосин:

Рис 2.6. Зависимость степени диссоциации основных продуктов сгорания ракетных топлив от температуры

Рис. 2.7. Сравнительная эффективность различных топлив по показателям Руд" к Руд («замороженное» течение; рк=20 МПа; рк/рс=20/1)

является минимальная степень диссоциации продуктов сгорания в двигателе. Она зависит от температуры в камере сгорания (рис. 2.6). Сильно диссоциируют молекулы Н20 и CO2, значи­тельно меньше — HF. Высокой термической стабильностью продуктов сгорания в определенной мере объясняется получе­ние более высокой удельной тяги двигателя, работающего на топливе H2+F2, по сравнению с двигателем, работающим на топливе Н2О2. Потерю энергии топлива за счет диссоциации продуктов сгорания можно снизить, повысив давление в камере сгорания [Д4]. В сопле ЖРД температура продуктов сгорания из-за расширения газов снижается, и происходит рекомбинация диссоциированных молекул с выделением тепла⁴. Чем выше степень такой рекомбинации, тем больше возрастает удельная тяга двигателя. Это увеличение зависит от состава топлива, температуры в камере сгорания, стабильности продуктов сго­рания, энергии связей диссоциируемых молекул. Следовательно, склонность к быстрой и возможно более полной рекомбинации в сопле двигателя диссоциированных молекул продуктов сго­рания—это тоже важное требование, которое должно предъяв­ляться к ракетным топливам. Итак, продукты сгорания жидких ракетных топлив должны иметь хорошие термодинамические свойства, которые обусловлены малой молекулярной массой и малым числом элементов в молекуле, низкой температурой ки­пения, малой степенью диссоциации в камере сгорания, а так­же склонностью к быстрой рекомбинации в сопле двигателя.

Некоторые авторы [2, 7] считают, что эффективность ЖРТ и -их энергетические свойства должны характеризоваться не только удельной тягой, а в ряде случаев произведением удельной тяги на удельный вес топлива: Руд⁷^^^. По их мнению, величина Руд" более полно отражает суммарное влияние тепло­ты сгорания и удельного веса (плотности) топлива на его энер­гетическую эффективность. На рис. 2.7 показана сравнительная эффективность различных топлив по этим показателям. Из представленных данных следует, что топлива на основе кероси­на в паре с жидким фтором и монооксидом фтора значительно эффективнее, чем керосин в паре с жидким кислородом. Более того, в ряде случаев топливо керосин—пероксид водорода мо­жет быть эффективнее топлива керосин—жидкий кислород. Иногда для сравнительной оценки энергетических свойств топ­лив используют величину Kv, названную теплоплотностью и определяемую как произведение теплоты сгорания топлива <7н на его плотность рт [2]:

По физико-химическому смыслу Kv представляет собой кон­центрацию энергии в единице объема топливных баков ракеты и имеет размерность кДж/м³. Однако обе величины (Kv и Руд") не получили широкого распространения для окончательной оценки эффективности жидких ракетных топлив, так как на ха­рактеристики ракет различного назначения (космических, стра­тегических, тактических, зенитных и др.) удельная тяга и удельный вес (плотность) топлив влияют по-разному [2].

Энергетические свойства однокомпонентных топлив сущест­венно хуже, чем энергетические свойства большинства извест­ных двухкомпонентных ЖРТ (табл. 2.3). Однокомпонентные топлива характеризуются сравнительно невысокой температурой сгорания, в связи с чем получили наибольшее применение в парогазогенераторах и ЖРД малой тяги [4]. Более низкие энер­гетические характеристики однокомпонентных ракетных топлив по сравнению с двухкомпонентными в какой-то мере компенси­руются упрощением и облегчением конструкции двигательной установки (топливной системы). Основными требованиями, предъявляемыми к энергетическим свойствам однокомпонент­ных топлив с учетом специфики их использования, являются:

обеспечение максимальной удельной тяги с минимальной тем­пературой сгорания в двигателе или максимального парообра-

зования в газогенераторе при минимальной температуре разло­жения топлива.

Кинетические характеристики топлив. Важным в оценке эф­фективности топлив являются не только потенциальные энерге­тические их возможности, но и то, как они реализуются в дви­гателе во времени, в процессе горения. Обычно различают две фазы этого процесса: запуск и работа на установившемся ре­жиме. Воспламенение топлива при запуске, протекание процес­са его сгорания в двигателе при установившемся режиме, ус­тойчивость сгорания и надежность (безопасность) работы дви­гателя—все эти факторы в значительной мере определяются кинетическими характеристиками топлива [7].

По первой фазе горения (при запуске двигателя) жидкие ракетные топлива делят на самовоспламеняющиеся и несамовоспламеняющиеся (см. рис. 2.1). Первые предпочтительнее, так как при их использовании проще и надежнее обеспечивает­ся запуск двигателя. Важнейшей кинетической характеристи­кой самовоспламеняющихся топлив в первой фазе горения является период задержки самовоспламенения (ПЗС). Он опре­деляется промежутком времени от начала впрыска компонентов ракетного топлива, т. е. поступления первых капель топлива, в камеру сгорания двигателя до момента самовоспламенения топлива. Это время должно быть минимальным, исключающим опасность взрыва топливной смеси в двигателе и обеспечиваю­щим плавное нарастание давления в камере сгорания без возник­новения опасных колебаний. От периода задержки самовоспла­менения т зависит максимальное давление Ртах в камере сго­рания при запуске двигателя. Чтобы избежать опасных пиков давления при запуске ЖРД необходимо соблюдать следующее условие [7]:

Существуют различные методы определения периода за­держки самовоспламенения топлив: чашечный, капельный, струйный, на установке с микродвигателем, на натурном ЖРД [8]. Простейший из них—чашечный; он основан на смешении компонентов ракетного топлива в открытой чашке и фиксиро­вании времени от момента смешения компонентов до появления пламени. При капельном методе измеряется время с момента касания падающей капли одного компонента поверхности капли другого до появления вспышки. Струйный метод основан на фиксировании промежутка времени от момента столкновения струй до возникновения пламени. Этот метод в определенной мере реализуется и в установке с микродвигателем, с помощью которой ПЗС фиксируется как промежуток времени между

впрыском компонентов ракетного топлива и началом резкого повышения давления в камере сгорания. Период задержки са­мовоспламенения определяют и непосредственна на натурном ЖРД при стендовых испытаниях по осциллограммам давления в камере сгорания.

Характеристики

Список файлов книги