Штехер М. С. - Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1043408), страница 17

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

Текст из файла (страница 17)

Коррозионная активность тетранитрометана невысока, нержавеющие стали, алюминий и его сплавы достаточно стойки, нелегированные стали, медь, свинец - удовлетворительно стойки, но во влажной среде коррозионная активность заметно нарастает.

В качестве прокладочных материалов рекомендуется фторопласт, полиэтилен, асбест и свинец. Не допускаются к использованию с тетранитрометаном эбонит, фибры, резина и перхлорвинил.

Хлорная кислота (НС1O₄)

Химически чистая хлорная кислота — бесцветная, подвижная, сильно дымящая жидкость; температура плавления 161 К (-112° С), кипения 373 К (100° С), но при этой температуре она разлагается; плотность 1,79 г/см³ при 298 К (25° С). Чистая хлорная кислота кратковременно (3-5 недель) не взрывоопасна при хранении в темноте и при низких температурах. При температуре около 298 К (25° С) она может храниться не более месяца, и затем обычно взрывается. В процессе хранения образуется окись хлора (С1₂О) - очень нестойкое вещество, склонное к саморазложению и взрыву.

Устойчивость чистой хлорной кислоты в процессе хранения может быть обеспечена путем периодической вакуумперегонки или добавки стабилизатора 1,0-1,5%-го четыреххлористого углерода. Стабилизированная хлорная кислота довольно устойчива.

Техническая хлорная кислота - жидкость желтовато-бурого иногда красноватого цвета, довольно прозрачная, очень гигроскопична и содержит много окиси хлора.

Техническая хлорная кислота имеет те же физические свойства, что и чистая, но отличается особой взрывоопасностью. Чувствительна к различным импульсам - удару, свету, колебаниям

91

давления среды, детонации и др. При контакте даже со следами органических соединений происходит взрыв.

Некоторая стабильность технической хлорной кислоты может быть получена за счет вакуумперегонки, а надежная устойчивость достигается только разбавлением водой до 70%-ной концентрации.

По энергетическим показателям хлорная кислота не представляет интереса, как самостоятельный окислитель. С водоро-дом она дает удельный импульс тяги 1080 м/с, но по экономическим соображениям использование хлорной кислоты может быть целесообразно только с дешевыми органическими горючими нефтяного происхождения, тогда удельный импульс тяги не превышает 832 м/с.

Как самостоятельные окислители на основе хлорной кислоты представляют интерес только моногидрат (Н₃О + С1О₄) - твердое кристаллическое вещество и дигидрат (2НО+НСlO₄) -плотная вязкая жидкость.

Хлорная кислота представляет некоторый интерес в качестве добавки к окислителям, гарантирующей надежность самовоспламенения топлива. Хлорная кислота очень токсична. Максимальная доза, допустимая в воздухе при восьмичасовом рабочем дне, не более 0,001 мг/л. Она действует раздражающе на дыхательные пути, слизистые оболочки носоглотки, поражает глаза, при попадании на кожу дает ожоги и вызывает дерматит.

При работе с хлорной кислотой обязательно использование защитной одежды: перчаток, фартуков и нарукавников из специальной резины (лучше - специальных прорезиненных костюмов и сапог). Глаза должны быть защищены очками. Помещения должны быть оборудованы душами и надежной вентиляцией.

Одежду, используемую при работе с хлорной кислотой, нужно регулярно обмывать, в противном случае она может самовозгораться.

Коррозионная активность хлорной кислоты очень высока, для работы с ней допускаются только нержавеющие стали и алюминий, в качестве прокладочного материала - только тефлон или свинец, остальные обугливаются или воспламеняются.

Хранение и перевозку лучше проводить в алюминиевой таре с гидрозатвором, залитым серной кислотой. Гидрозатвор должен быть из стекла - прозрачным - для наблюдения за цветностью серной кислоты, ее побурение означает начало разложения хлорной кислоты, при этом необходимо срочно принять меры к ее стабилизации. При перевозке гидрозатвор снимается и сосуд закрывается алюминиевой пробкой на резьбе.

Глава 3

ЖИДКИЕ ТОПЛИВА. ГОРЮЧИЕ

Горючее - компонент топлива, вступающий в химическую реакцию с окислителем.

В соответствии со стандартной терминологией горючим принято называть вещество или совокупность веществ, которые в процессе химической реакции отдают электроны с внешних обо-лочек своих атомов. Число горючих элементов велико, но особенно много горючих - химических или механических соединений элементов.

К числу элементарных горючих относятся почти все вещества, входящие в первые три периода таблицы Менделеева. По сравнению с окислителями, рассмотренными в предыдущем разделе книги, число известных горючих настолько велико, что невозможно провести подробное и последовательное рассмотрение отдельных их типов. Важнейшими показателями при подборе горючих для ракетных двигателей является удельный импульс с заданным окислителем или тепловой эффект реакции окислителя, плотность горючего или топлива с данным горючим, его газообразование и температура горения.

3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ГОРЮЧИХ

Горючие так же, как и окислители, можно классифицировать по фазовому состоянию, химической структуре, энергетическим и техническим свойствам, по условиям эксплуатации и т. д.

Рассмотрим несколько подробнее эти формы классификации.

По фазовому состоянию горючие делятся на твердые, жидкие и газообразные.

Твердые горючие, например, углерод, каучук, полиуретан, различные металлы широко используются в твердых ракетных топливах (ТРТ).

Жидкие горючие - наиболее широко используемая группа с наибольшим перечнем наименований. Сюда входят спирты, органические соединения - производные нефти и т. д.

Газообразные горючие, главным образом углеводороды, например метан СH₄, используются в ракетной технике на

93

испытательных установках как заменители основных горючих для технологических отработок.

Смешанные горючие - различные взвеси, суспензии, золи, гели только входят в практику и в основном являются экспериментальными.

По химической структуре все горючие делятся на простые и. сложные.

Эта форма классификации довольно широко используется в учебниках по двигателям, где вопросы топлива занимают второстепенное место.

Простые горючие - это индивидуальные химические вещества, химические элементы, чаще всего однокомпонентные газы, жидкости и твердые вещества. К ним относятся углерод, водород, алюминий, литий, бериллий, магний, марганец и др. Кроме водорода, это в большинстве твердые вещества с высокой теплопроизводительностью и очень высокой температурой горе-ния в кислороде.

Сложные горючие - чаще всего многокомпонентные сложные химические соединения, например, органики или механические смеси относительно простых веществ. Таких соединений очень много, количественно они во много раз превосходят группу простых веществ. Сложные горючие широко применяются на практике. Они могут быть различного фазового состояния, имеют очень широкий диапазон значений теплопроизводительности, удельных импульсов и температур горения в зависимости от окислителя.

Иногда сложные химические соединения подразделяют по химической структуре на ряд групп:

1. Элементарные горючие со сложной молекулой из 2-3 атомов, например, бензол С₆Н₆, керосин С_nH_m и т. д.

2. Элементы с молекулой, состоящей из атомов горючего и нейтрального вещества, например, аммиак NН₃, гидразин N₂H₄ и др..

3. Элементы, в молекуле которых есть атомы горючего и окислителя, например, спирты С_nН_mОН и др.

4. Элементы, молекулы которых содержат атомы горючего, инертного вещества и окислителя, например, метилнитрат СН₃NО₂, нитробензол С₆Н₅НО₂ и др.

Рассмотренные формы классификации просты и поэтому удобны для использования, однако недостаточно обоснованны и не отвечают принятой в научной литературе по химии системе разделения веществ.

В научной химической литературе и в учебниках принято четкое разделение веществ на неорганические, органические и элементоорганические соединения. Используя этот принцип, можно получить очень четкую, научно обоснованную систему классификации горючих, которая графически представлена на рис. 3.1 и подробно рассмотрена ниже. С технической точки зрения та-

94

кая классификация оказывается удобнее предыдущих потому, что позволяет просто разграничить использование горючих в прошлом и настоящем.

Новая классификация горючих

Все горючие делятся на три группы:

1. Неорганические соединения.

2. Органические соединения.

3. Элементоорганические соединения.

Первая группа делится на две подгруппы:

а) водород, аммиак, бороводороды;

б) все металлы.

Вторая группа подразделяется на четыре подгруппы:

а) углеводороды - продукты переработки нефти;

б) амины и диамины;

в) спирты;

г) нитросоединения.

Третья группа состоит из двух подгрупп:

а) металлоорганики, суспензии, золи, гели и др.;

б) собственно элементоорганические соединения типа борорганических или фосфорорганических соединений.

Горючие первой группы применяются давно. В настоящее время они получают большое практическое значение. Их применяют, и вероятно будут применять в будущем, в виде порошка-присадки в двигателях ТРТ.

Горючие второй и третьей групп широко используются в современных условиях, в дальнейшем их будут применять в еще более широких масштабах.

95

Группа металлооргаников, золей, гелей - это группа перспективных горючих, которые будут использоваться в смешанных по фазовому состоянию тошшвах, тиксотропных, гелированных и эмульсионных топливах.

Группа второстепенных горючих, объединяющая в своем сос-таве спирты и нитросоединения, не обеспечивает удельный импульс достаточной величины и поэтому не получила широкого применения.

Группа собственно элементоорганических соединений в нас-тоящее время не получила широкого применения из-за малой величины удельного импульса и недостаточности сведений об условиях эксплуатации. Эта группа в перспективе будет применяться в космических летательных аппаратах.

Используя представленную форму классификации, рассмотрим далее энергетические и эксплуатационные свойства горючих по отдельным группам.

Аммиак(NН₃)

Аммиак является простейшим соединением водорода с азотом и представляет собой горючее для ракетных двигателей.

В промышленности аммиак широко используется как рабочее тело в холодильных установках, как сырье для производства азотной кислоты, азотных удобрений, взрывчатых веществ и соды.

Жидкий аммиак в современных условиях получают методом синтеза из азота и водорода. Его сырьевая база практически не ограничена, а методы получения дешевы и широко доступны.

При нормальных условиях аммиак находится в газообразном состоянии, это бесцветный газ с резким, характерным запахом (пахнет «нашатырным спиртом»).

Жидкий аммиак - слабо криогенная жидкость, обладающая следующими свойствами:

Температура кипения . . . . . . Т_кип=239,6К (-33,4° С)

Температура застывания . . . . . . Т_пл = 195,0 К (-78° С)

Плотность (при -33,4° С) . . . . . . =0,68 г/см³

Вязкость (при -33,4° С) . . . . . . =0,0025 сП

Теплота испарения (-33° С) . . . . . . r=23,4 кДж/г (5,58 ккал/г)

Критическая температура . . . . . . t_кр=141 К (+132°С)

Критическое давление . . . . . . . р_кр=111,5 кгс/см²

Критическая плотность . . . . . . _кр= 0,235 г/см³

Жидкий аммиак способен растворяться в воде в очень больших количествах: от 700 объемов при 293 К до 1200 объемов при 273 К в одном объеме воды.

В то же время сам аммиак является хорошим растворителем многих органических и неорганических веществ. Твердый аммиак бесцветен, имеет кристаллическую структуру.

Токсичность аммиака достаточно высока. Предельная допустимая концентрация паров аммиака в воздухе рабочих помеще-

96

ний составляет 10^-4, а при кратковременном действии (от 30 до 15 мин) может достигать 3*10^-4 и 5*10^-4. Благодаря своему резкому специфическому запаху аммиак легко обнаруживается в концентрациях 5*10^-5.

Действие аммиака прежде всего сказывается на слизистых оболочках полости рта и носа и дыхательных путей, вызывая их раздражение, кашель, а при длительном воздействии и горловые кровотечения. Попутно происходит поражение глаз. Концентрация аммиака выше 25*10^-4 недопустима - опасна и может вызвать смертельный исход.

Случайное попадание аммиака или его растворов в пищевод и желудок обычно приводит к смерти. Попадание на кожу вызывает сильные ожоги, поэтому необходимо применение защитной одежды из прорезиненной ткани, перчаток и сапог, а также масок и защитных очков. Для обеспечения дыхания необходим автономный источник питания воздухом. Эти меры предохранения рекомендуются для газообразного аммиака с концентрациями до 3*10^-2.

В пожарном отношении аммиак относительно не опасен, на воздухе он не воспламеняется и не горит, но образует с воздухом взрывчатые смеси. В атмосфере, насыщенной кислородом, может воспламеняться и гореть желтоватым пламенем. При значительном нагреве аммиак с кислородом может самовоспламеняться. Аммиак не чувствителен к удару.

Коррозионная активность аммиака значительна, ее необходимо учитывать при конструировании. Такие материалы, как медь, бронза, латунь, цинк и др. сплавы, подвергаются значительному разрушению при действии аммиака. Относительно стойкими являются стали, чугун, алюминий и его сплавы, монельметалл, ни-кель, титан. Из неметаллических материалов допускаются фторопласты, асбест, стекло, керамика, некоторые виды пластмасс и каучука.

Транспортировка и хранение аммиака осуществляется в стальных баллонах под давлением до 60 кгс/см². Жидкий амми-ак можно транспортировать и хранить в танках с теплоизоляцией при сравнительно небольшом захолаживании помещения, используя сухой лед или переохлаждение аммиака.

Характеристики

Список файлов книги