Химмотология ракетных и реактивных топлив (1043407), страница 7

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

Текст из файла (страница 7)

Важным эксплуатационным требованием является взрывбезопасность ракетных топлив. Именно из-за взрывоопасности не нашли распространения многие однокомпонентные топлива, а также окислители—озон, тетранитрометан, хлорная кислота, ряд высокоэнергетических горючих. Высококонцентрированный пероксид водорода, хотя и взрывоопасен — склонен при опре­деленных условиях к спонтанному термическому и каталитиче­скому разложению, но благодаря добавке стабилизаторов и соблюдению требуемых правил обращения с ним ведет себя как весьма стабильный продукт. Жидкий водород опасен в обра­щении вследствие широких концентрационных пределов воспла­меняемости и взрываемости его паров в воздухе.

К жидким ракетным топливам предъявляют также требова­ния минимального воздействия на конструкционные материа­лы — металлы, резины, пластмассы. Компоненты ракетного топ­лива не должны вызывать коррозии металлов и сплавов, из которых изготавливают топливные системы ракет и технические средства хранения, транспортирования и перекачивания (за­правки) окислителей и горючих. В противном случае в резуль­тате коррозии металлов не только снижается прочность конст­рукций и нарушается их герметичность, но могут образовывать­ся твердые и растворимые продукты коррозии. Последние, по­падая непосредственно в компоненты топлива, могут приводить к нарушениям режима работы жидкостных ракетных двигате­лей, особенно двигателей малой тяги. Применение агрессивных компонентов топлива вызывает необходимость использования дорогостоящих некорродирующих материалов, в частности вы­соколегированных сталей, что значительно удорожает стои­мость ракет и технических средств. Жидкие ракетные топлива, должны быть возможно менее опасными в обращении.

Компоненты топлива не должны быть токсичными. Приме­нение сильноядовитых и агрессивных окислителей и горючих существенно затрудняет эксплуатацию ракетной техники. Из-за высокой токсичности и агрессивности до сих пор не нашли ши­рокого применения жидкие фтор и монооксид фтора, озон, пентаборан, гидрид бериллия и др., несмотря на их энергетические преимущества. Особой осторожности при работе требуют гидразинные горючие и окислители на основе азотной кислоты и четырехокиси азота. К малотоксичным продуктам относятся жидкий кислород, керосин и другие углеводородные горючие, пероксид водорода.

Наконец, жидкие ракетные топлива должны быть достаточно дешевыми, обеспеченными необходимой сырьевой и производ­ственной базой. Этим требованиям, наиболее удовлетворяет такая топливная пара, как жидкий кислород—керосин.

Анализ и практика эксплуатации жидкостных ракетных дви­гателей показывают, что нет идеального топлива, полностью отвечающего всем требованиям, изложенным выше. Поэтому в каждом конкретном случае следует оценивать, какие свойства топлива являются важнейшими для данных специфических ус­ловий его применения, и исходя из этого выбирать топливо и разрабатывать необходимые мероприятия для его рациональ­ного использования, т. е. решать соответствующие химмотологические задачи.

Глава 3

СОСТАВ, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ

И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА

ОКИСЛИТЕЛЕЙ

Применяемые в ракетной технике окислители различаются между собой как по составу, так и по физико-химическим и эксплуатационным свойствам. Эти различия сказываются, есте­ственно, и на свойствах ракетного топлива в целом, тем более, что количество окислителя в топливе, как правило, значительно превышает количество в нем горючего. Как было отмечено в разд. 2.1, окислители по химической природе делят на кисло­родные, азотные, фторные и хлорные.

В качестве ракетных окислителей в данной главе рассмат­риваются: жидкие кислород и озон, пероксид водорода, четы­рехокись азота, окислители на основе азотной кислоты, тетранитрометан, фтор, монооксид фтора и трифторид хлора. В суще­ствующих жидкостных ракетных двигателях широко применяют топлива, окислительным элементом в которых служит кисло­род [4, 10, 16, 17].

3.1. СОСТАВ И СВОЙСТВА КИСЛОРОДНЫХ ОКИСЛИТЕЛЕЙ

3.1.1. ЖИДКИЙ КИСЛОРОД

Жидкий кислород был первым окислителем, который нашел применение в ракетной технике. Он же один из основных окислителей и в настоящее время. Великий русский ученый К. Э. Циолковский еще в 1903 г. указывал, что топливо, со­стоящее из жидкого водорода и жидкого кислорода, является наиболее эффективным топливом для ракетных двигателей. Ракетные топлива, в которых в качестве окислителя используют жидкий кислород, имеют высокую теплоту сгорания, что объяс­няется практически 100 %-м содержанием реакционноспособного кислорода в окислителе.

Жидкий кислород имеет низкую вязкость и высокую испа­ряемость, и это обеспечивает хорошее смесеобразование его с горючим. Кислород нетоксичен и некоррозионно-агрессивен к конструкционным материалам. Однако жидкий кислород имеет относительно невысокую плотность и низкую температуру ки­пения, что является существенным недостатком его как компо­нента ракетного топлива при хранении и применении в жидкофазных ракетных двигателях.

В ракетной технике применяют жидкий кислород с мини­мальным содержанием примесей. Так, согласно спецификации США MIL-P-25508D (AF) содержание примесей в жидком кис­лороде не должно превышать 0,5% (в основном азота и арго­на), содержание диоксида углерода не нормируется [4]. В Со­ветском Союзе жидкий кислород для различных областей тех­ники выпускают по ГОСТ 6331—78 (табл. 3.1). Отсутствие в жидком кислороде ацетилена и масла обусловливается мерами безопасности.

В промышленных масштабах жидкий кислород получают из атмосферного воздуха методом глубокого охлаждения. Внача­ле очищают воздух от различных примесей, затем путем чере­дующегося сжатия, охлаждения и расширения переводят его в жидкое состояние и подвергают низкотемпературной ректифи­кации.

При этом из жидкого воздуха (т.кип. 83 К, или —190 °С) испаряется практически весь азот (т. кип. 77,3 К, или —196 °С) и остается жидкий кислород (т. кип. 90,18 К, или —183°С).

Установки, на которых: получают жидкий кислород, рабо­тают по следующим схемам:

1) установка высокого давления с поршневым детандером, на который отводится 50—70% перерабатываемого воздуха (цикл Гейландта);

2) установки низкого давления с расширением воздуха в турбодетандере (цикл Капицы); ^N

3) комбинированные схемы низкого давления, с использо­ванием циркуляционного холодильного цикла среднего давле­ния и расширения газа (азота) в турбодетандере.

Общим для всех воздухоразделительных установок являет­ся получение вначале жидкого воздуха, последующее разделе­ние его на кислород и азот и выделение инертных газов.

Жидкий кислород представляет собой бледно-синюю проз­рачную жидкость, которая при температуре кристаллизации затвердевает в виде кристаллов синего цвета гексагональной формы. Основные физические свойства кислорода [18—21]:

При испарении 1 л жидкого кислорода образуется 800 л газообразного кислорода (при нормальных условиях). Давление насыщенных паров кислорода (р, Па) в интервале температур 70—100 К можно рассчитать из уравнения [22):

На рис. 3.1 представлена зависимость давления насыщенных паров и плотности жидкого кислорода от температуры.

Растворимость газообразного кислорода в воде невелика:

при атмосферном давлении и 293 К в 1 л воды растворяется 31 см³ О2. Кислород хорошо поглощается некоторыми тверды­ми поглотителями, например платиновой чернью или древес­

ным углем; при 123 К 1 объем серебра поглощает около 22 объ­емов кислорода. При охлажде­нии металла весь поглощенный кислород выделяется [23].

Присутствующие в воздухе диоксид углерода, ацетилен, во­да и другие соединения имеют относительно малую раствори­мость в жидком кислороде; они могут попасть в жидкий кисло­род лишь при его производстве.

При длительном хранении жидкого кислорода происходит его испарение, и концентрация этих примесей повышается. Из пе­ресыщенного раствора могут выпадать кристаллы диоксида уг­лерода или ацетилена, что может стать причиной забивки топ­ливных фильтров технических средств при заправке ракет. Ана­логичные трудности возникают при попадании влаги в жидкий кислород, которая также образует кристаллы льда, плавающие на поверхности жидкого кислорода, так как они имеют более низкую плотность.

Растворимость диоксида углерода в ждком кислороде со­ставляет около 6*10^-4 %, а ацетилена—4*10-6 %. В промышлен­ности стремятся выпускать жидкий кислород с содержанием СО2 ниже предела его растворимости и практически с отсутст­вием ацетилена и влаги. Наличие ацетилена в продукте и его концентрирование в жидком кислороде способствует созданию опасной концентрации ацетилена и в определенных условиях приводит к взрыву [4, 20, 23].

'При смешении жидкого кислорода с органическими вещест­вами возможно их охлаждение а ^замораживание. Подобные смеси взрывоопасны и чувствительны к внешнему воздействию. Наличие масла в жидком кислороде недопустимо. Масло и продукты его разложения могут попасть в жидкий кислород из компрессоров в результате воздействия высокого давления и повышенных температур (продукты крекинга масла). Оно мо­жет накапливаться в оборудовании и резервуарах, если не про­водить профилактического обезжиривания [22, 24].

Кислород—сильный окислитель; он образует соединения со всеми химическими элементами, кроме инертных газов. Ско­рость реакций окисления при комнатной температуре невысока, но она резко возрастает при повышении температуры или при применении катализаторов. Металлы и их сплавы окисляются кислородом до соответствующих оксидов. Скорость окисления зависит от температуры и наличия других веществ, например воды. При низкой температуре окисление металлов резко замедляется, поэтому жидкий кислород почти не вызывает кор­розии.

С водородом при нормальной температуре кислород взаимо­действует очень медленно; при температуре выше 823 К реак­ция

протекает со взрывом.

Жидкий кислород имеет низкую температуру кипения и не­большую теплоту парообразования. Поэтому даже незначитель­ное количество подводимого тепла вызывает испарение большо­го объема жидкого кислорода. Для сокращения потерь от испарения резервуары и цистерны для жидкого кислорода снабжены тепловой изоляцией. Наличие тепловой изоляции обеспечивает минимальный подвод тепла к хранимой или транс­портируемой жидкости. Для защиты отдельных видов оборудо­вания в качестве изоляции используют обычную насыпную (пористую) тепловую изоляцию на основе волокнистых, порош­кообразных или пеноматериалов. Для изоляции трубопроводов, стационарных и транспортных резервуаров применяют вакуумно-порошковую и многослойную (вакуумно-многослойную) тепловую изоляцию. Вакуумно-порошковая изоляция представляет собой порошкообразный материал (аэрогель, перлит, кремнегель, а также стекловолокно), который размещают в вакуумированном пространстве (остаточное давление 1,33—0,133 Па). Потери жидкого кислорода при транспортировании в железно­дорожной цистерне вместимостью 40 м³, оборудованной вакуумно-порошковой изоляцией, составляют 0,3% в сутки [25].

Хранение и транспортирование жидкого кислорода связано с потерями его от испарения в результате притока тепла через тепловую изоляцию резервуаров и цистерн. Достаточно эффек­тивным способом снижения потерь жидкого кислорода является его переохлаждение до температуры ниже температуры кипе­ния жидкого кислорода при данном давлении. Переохлаждая жидкий кислород на 10 °С ниже температуры кипения при дан­ном давлении, можно сократить потери от испарения на 8°/о [23]. Переохлаждают кислород с помощью жидкого азота, жид­кого воздуха или других газов, имеющих более низкую темпе­ратуру кипения.

Переохлаждения можно достичь путем создания вакуума над поверхностью жидкого кислорода или резкого снижения из­быточного давления в резервуаре с жидким кислородом. Оба эти способа малопригодны, так как связаны с большим газооб­разованием при создании вакуума и снижении давления до ат­мосферного при сливе продукта [25].

Характеристики

Список файлов книги