Штехер М. С. - Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1043408), страница 18

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

Текст из файла (страница 18)

Энергетические характеристики аммиака как горючего для ракетного топлива существенно зависят от выбора окислителя. По данным Паушкина аммиак с фтором дает удельный импульс около 3540 м/с, с кислородом 2945 м/с, с концентрированной перекисью водорода и азотным тетраксидом около 2650 м/с и с азотной кислотой около 2550 м/с.

По данным США, применение аммиака с кислородом дает одинаковый удельный импульс с керосинкислородным топливом несмотря на то, что их теплопроизводительности значительно отличаются. Это обстоятельство объясняется уменьшением моле-

97

кулярной массы продуктов сгорания при использовании аммиак-кислородного топлива.

Еще более высокие значения удельной тяги фтораммиачного топлива, очевидно, получаются за счет двух- и одноатомных газов в продуктах сгорания, которые образуются в случае реакции фтора с аммиаком. При этом необходимо отметить и более высокую плотность топлива, которая для стехирметрических соотношений фтора и аммиака достигает около 1,2 г/см³.

В случае применения в качестве окислителя кислорода плотность стехиометрического аммиаккислородного топлива будет только 0,89 г/см³. С использованием аммиака в качестве горючего значительно улучшается охлаждение двигателя. Это можно показать, используя для сравнения теплоемкость и теплопроводность аммиака и керосина.

Теплоемкость:

Аммиак .... 4,746 кДж/кг*°С (1,15 ккал/кг°С)

Керосин .... 1,7б кДж/кг*°С (0,42 ккал/кг°С)

Теплопроводность:

Аммиак .... 1,76 кДж/м*ч*°С (0,42 ккал/м*ч*°С)

Керосин .... 0,04186 ,кДж/м*ч*°С (0,01 ккал/м*ч*°С)

Учитывая все рассмотренные свойства аммиака, его широкую производственную доступность, относительную дешевизну, удобство хранения и высокую стабильность, можно ожидать в ближайшем будущем широкого его использования.

Бороводородные соединения

Бороводородные соединения как горючие для ракетных топлив были предложены и исследовались с 1929 г. советскими учеными. Наиболее подробно они рассматривались В. П. Глушко, Н. Г. Чернышевым и др.

Бороводородные горючие, применяющиеся в авиационной и ракетной технике, получили широко распространенное обобщаю-щее название бораны. Широкому применению боранов мешает их очень большая токсичность и взрывоопасность.

По данным США, они могут использоваться на авиационных турбореактивных двигателях для их форсирования или в ракетных двигателях специального назначения, например в морском флоте.

С окислителями, применяющимися в настоящее время, все бораны имеют малый период задержки воспламенения и обеспечивают плавный запуск двигателя.

В табл. 3.1 приводятся основные показатели некоторых горючих, наиболее характерных представителей этой группы.

Как видно из табл. 3.1, большинство боранов обладает достаточно высоким удельным импульсом и высокой, тешюпроизво-

98

Таблица 3,1

дительностью. При нормальной температуре это бесцветные жидкости с малым удельным весом. Исключением является декаборан, твердое вещество, а диборан - криогенная жидкость средней степени криогенности, при нормальной температуре - газ. Диборан является основным исходным продуктом в процессе по-лучения других бороводородов методом пиролиза. Пиролиз проводится при температуре 448-523 К и давлении 100-106 мм рт. ст.

Производство боранов осуществляется без доступа воздуха, так как при контакте с воздухом они могут самопроизвольно воспламеняться и взрываться. Все бороводороды являются очень токсичными веществами, и работать с ними надо при строжайшем соблюдении правил техники безопасности. Все бораны об-ладают запахом разлагающейся мертвечины. Однако опасные концентрации вещества в воздухе создаются еще задолго до ощущения запаха, и поэтому работа с бороводородом должна проводиться с применением специальных индикаторов, которые позволяют устанавливать и сигнализировать о наличии минимальных предельно допустимых концентраций вещества в воз-духе рабочих помещений.

Все бораны обладают низкой коррозионной активностью, поэтому при работе с ними нет ограничений в применении обычных конструкционных материалов - сталей, бронз, алюминия и его сплавов и других материалов.

В авиации и ракетной технике бороводороды широкого использования не получили. Пентаборан стабильный (В₅Н₉), диборанамин, борозол и другие находятся еще в процессе исследования.

Стабильный пентаборан достаточно стойкое вещество. При нормальной температуре и длительном хранении (более года) разлагается очень медленно с выделением водорода и твердого остатка. С повышением температуры разложение усиливается и становится заметным при температуре выше 423 К и резко возрастает при температуре выше 573 К.

На воздухе пентаборан иногда самовоспламеняется. Смесь паров пентаборана с кислородом всегда самовоспламеняется. Интенсивность и характер взрыва зависят от состава смеси, давления и температуры среды.

Физико-химические параметры стабильного пентаборана определены достаточно точно.

Плотность жидкого пентаборана в очень широких пределах зависит от температуры, так при T=227К g = 0,681, а при Т= = 373 К g = 0,552.

Нестабильный пентаборан В₅Н₁₁ является действительно очень нестойким веществом и при нормальной температуре легко разлагается на ряд бороводородных соединений, в том числе пентаборан стабильный, борозол и др.

100

На воздухе нестабильный пентаборан самовоспламеняется, хранение его возможно только в атмосфере азота, и поэтому его практическое использование сильно затруднено.

Нестабильный пентаборан токсичен, как и все бороводороды.

Декаборан - твердое весьма стабильное химически стойкое вещество, не реагирует с кислородом воздуха даже при нагревании до 333-353 К, но при 373 К может самовоспламеняться. Декаборан можно использовать как добавку для форсирования твердого ракетного топлива.

Диборан - криогенная жидкость средней степени криогенности с малым удельным весом (0,49 г/см³). Наибольшие кри-тические давление 39,53 кгс/см² и температура 256,3 К позволяют сжижать и хранить диборан при нормальных условиях и в условиях космоса. Диборан является довольно стабильным соединением и может быть использован как ракетное горючее.

В настоящее время известно несколько способов получения диборана, который является исходным продуктом для получения высших боранов, таких как пентаборан, методом «крекинга».

Диборанамин представляет собой нормальную жидкость с удельным весом и теплопроизводительностью чуть ниже, чем у лентаборана, и одинаковым с ним удельным импульсом тяги.

Борозол - жидкость при нормальных условиях с относи-тельно высоким удельным весом и сравнительно низкой температурой кипения 328 К. Теплопроизводительность и удельная тяга борозола заметно ниже, чем у пентаборана. Токсичность борозола не выявлена точно, но если это вещество окажется действительно не токсичным или слабо токсичным и не взрывоопасным, то оно может быть перспективным горючим для ракетных двигателей ближнего действия или разгонных двигателей. Оба лоследние вещества мало изучены и сведения по ним недоста-точны.

Водород

К. Э. Циолковский в одном из первых проектов космического корабля предложил в качестве топлива жидкие кислород и водород. Однако в начале двадцатого столетия возможности использовать это топливо в ракетном двигателе практически отсутствовали.

Теоретические показатели этого топлива очень высоки, и именно на этом основании Циолковский строил свои предложения.

Жидкий кислород - окислитель, уже добывался, но в количествах, недостаточных для использования на ракетных установках.

Жидкий водород - горючее, практически отсутствовал, а если и добывался, то в количествах, не превышающих самые малые потребности лабораторных исследований.

101

Возможности использовать жидкий водород как горючее в ракетных двигателях практически возникли совсем недавно. Решение этой задачи оказалось очень сложным, и целый ряд воп-росов получения, хранения и эксплуатации жидкого водорода еще требует специальных исследований.

Трудности заключаются не только в условиях эксплуатации а получения жидкого водорода. В ряде случаев спорным являет-ся возможность применения жидкого водорода в качестве ком-понента ракетного топлива, или он является не конкурентоспособным по сравнению с другими горючими. Это положение в какой-то степени связано с физико-химическими свойствами жидкого водорода.

При нормальной температуре водород - газ, бесцветный, беззапаха, нетоксичный, но жизненные процессы не поддерживает, так как не обеспечивает дыхание. Газофазный водород называется нормальным водородом и состоит из 25% параводорода и 75% ортоводорода, соответственно обозначаемых Р—Н₂ и О—Н₂. Различие пара- и ортоформ определяется их спином, у параво-дорода спин протонов противоположно направленный, у ортоводорода - одинаково направленный. Наличие этих двух формсущественно сказывается на условиях эксплуатации жидкого водорода. С понижением температуры газа происходит так называемая реконверсия - переход из орто- в параформу, при этом меняется направление спина, а это, в свою очередь, приводит к выделению энергии и повышению температуры. Содержание пара- и ортоформы в зависимости от температуры дано в табл. 3.2.

Таблица 3.2

Жидкий водород представляет собой бесцветную жидкость без запаха, с весьма высокой степенью криогенности. Водород сжижается при +20 К, а при 14 К переходит в твердое состояние, следовательно, в жидкофазном состоянии он находится в очень узком диапазоне температуры около 6°, на очень низком уровне по абсолютной шкале. Его критическое давление 12,81 кгс/см², критическая температура T=33,03 К. Плотность, жидкого водорода =0,071 г/см³ низка по сравнению с другими жидкими горючими. Низкая плотность жидкого водорода вызывает серьезные трудности при создании ракет с его использованием, так как резко возрастают объем и габариты бака для го-рючего. Низкая плотность является одним из главных недостатков водорода как горючего. Вторым и также существенным недо-

102

статком жидкого водорода является его способность сжиматься при увеличении давления. Обычно жидкости несжимаемы.

Жидкий водород сжимается, и при этом изменение его объема приблизительно отвечает характеристическому уравнению, т. е. его параметры подчиняются уравнению pv=RT, а более точно - уравнению Ван-дер-Ваальса. Сжимаемость жидкого водорода вызывает серьезные трудности в работе и конструкции насосов ТНА ракетной установки.

При работе с водородом невозможно получить обычные расчетные давления жидкости на выходных фланцах насоса, при-ходится делать насос с несколькими ступенями сжатия, т. е. вместо одного рабочего колеса насос для жидкого водорода дол-жен иметь 3-4 колеса.

Усложнение конструкции ротора насоса неминуемо вызывает усложнение корпуса и приводит к значительному увеличению веса ТНА в целом.

Характеристики

Список файлов книги