Штехер М. С. - Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1043408), страница 2
Текст из файла (страница 2)
выходом продуктов изложения и соответственно разными значениями конечного теплового эффекта.
Наиболее освоенной является реакция разложения перекиси водорода, которая широко применялась в качестве рабочего тела на вспомогательных ракетных двигателях-ускорителях или в парогазогенераторах для приведения в движение газовых турбин турбонасосных, агрегатов ракетных двигателей.
Из приведенных примеров видно, что реакции разложения обеспечивают сравнительно небольшое энерговыделение (тепловыделение). Использование таких .источников энергии на основных тяговых двигателях нецелесообразно из-за малых значений удельного импульса тяги (1450-1950 м/с), но рационально в газогенераторах турбонасосных агрегатов в связи со значительным газообразованием и сравнительно низкими температурами.
2. Реакции окислительно-восстановительные [35]. По своему энергетическому уровню они значительно выше реакций первой группы и обеспечивают тепловыделение в среднем от 8,35 до 12,5 МДж/кг топл.
Окислительно-восстановительные реакции имеют наибольшее практическое значение для современных химических ракетных двигателей на жидком, твердом и смешанном топливе.
В окислительно-восстановительных реакциях может участ-вовать очень большое количество элементов; протекают эти ре-акции приблизительно по такой схеме:
горючее + окислитель продукты реакции + тепло или
горючее + восстанавитель продукты реакции + тепло.
Приведем несколько конкретных примеров.
А. Реакции окисления:
1. Бензол (С6Нб)ж + кислород (7,5О2)ж углекислота (6СО2)газ + водяные пары (ЗН2О)газ + 9,5 МДж/кг топл. (2225 ккал/кг).
2. Литий (Li)тв + фтор (1/2F)ж фтористый литий LiFгаз + 14,3 МДж/кг топл. (3415 ккал/кг).
Б. Реакция восстановления
Окись углерода (СО)газ + водород (ЗН2)газ метан (СН4)газ + Н2О + 6,0 МДж/кг топл. (1440 ккал/кг).
Для жидких (однокомпонентных) топлив, в которых окислитель находится в связанном состоянии (например, с азотом) и при распаде соединяется с другими элементами с выделением тепловой энергии, реакция может быть записана в такой форме: нитроглицерин (4С3Н5(ОМО2)3 углекислота (12СО2) + водяные пары (10Н2О) + азот (6N2) + кислород (О2) + тепло + 6,22 МДж/кг топл. (1485 ккал/кг).
10
Для твердых (однокомпонентных) ракетных топлив, где окислитель (кислород) также находится в связанном состоянии и вступает в окислительно-восстановительную реакцию после соответствующего импульса (воспламенение от постороннего источника), реакция, например, для простейшего твердого топлива, состоящего из селитры, серы и угля (С6H2О - условная формула), может быть записана в такой форме:
74 КNО3 + 32S + 16 С6Н2О = 56 СО2 + 14 СО+
+ ЗСН4 + 2Н2S + 4Н2 + 35N2 + 10К2СO8 + 7К2SO4+ 2К2S + 8К2S2О3 + 2КСNS + (NH4)С03 + С + S .
Тепловыделение этого твердого топлива не превышает 2,78 МДж/кг топл. (665 ккал/кг), удельный импульс около 1670м/с (170 с).
Сравнивая тепловыделение этой группы реакций и реакций разложения, можно отметить, что энергетический уровень здесь выше в 2-1,5 раза.
В ракетной технике топлива с окислительно-восстановительными реакциями используются очень широко; перечень таких топлив очень велик и разнообразен. В большинстве случаев окислительно-восстановительные реакции протекают при участии двух компонентов топлива-окислителя и горючего, которые раздельно хранятся и подаются из баков в камеру сгорания двигателя. Эти топлива называются топливами раздельной подачи или двухкомпонентными. Топлива, в которых окислитель находится в связанном состоянии с горючим компонентом, называются однокомпонентными, они могут быть жидкими или твердыми.
3. Реакции ассоциации - реакции, протекающие между так называемыми свободными радикалами [35,40].Эта группа реакций для ракетных двигателей является теоретической, практического значения пока не имеет, а по энергетическим уровням в ряде случаев является весьма перспективной. Реакции протекают по схеме: свободные радикалы или вещества в атомарном (не устойчивом) состоянии молекулярное (устойчивое) состояние вещества + тепло. В качестве примеров рассмотрим реакции с атомарным водородом, кислородом и фтором.
Водород: Н + Н Н2 + 215 МДж/кг топл. (51300 ккал/кг).
Кислород: О + O О2 + 15\4 МДж/кг топл. (3640 ккал/кг).
Фтор: F + F F2 + 8,1 МДж/кг топл. (1930 ккал/кг).
Из приведенных примеров видно, что тепловыделение реакции с водородом на порядок выше, чем у любой окислительно-восстановительной реакции.
Тепловыделение реакции с кислородом находится на верхнем пределе окислительно-восстановительных реакций, со фто-
11
ром – значительно, ниже реакций первой группы. В современных условиях человек еще не научился дешево и просто получать и надежно сохранять вещества в атомарном состоянии, поэтому этот вид реакций является пока гипотетическим. Свободные радикалы химцчески очень активны, время «жизни» свободных радикалов, т. е. время, в течение которого они не вступают в реакцию, очень мало - от 10-6 до 10-2 с. Именно поэтому свободные радикалы, таких веществ как водород, кислород, азот и др. не встречаются в свободном состоянии и пока не могут быть использованы в качестве ракетного топлива.
1.3. ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ЯДЕРНО-РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Способы получения ядерной энергии описываются в специальной литературе. Остановимся на этом вопросе очень кратко и в самом общем виде, чтобы получить сравнительную оценку с источниками химической энергии, широко использующимися в современных ракетных двигателях. Источники ядерной (атомной) энергии очень перспективны для ракетных двигателей, но еще далеки от широкого практического использования.
Известны три пути получения ядерной энергии - естественный радиоактивный распад ряда веществ, искусственная цепная ядерная реакция и искусственная термоядерная реакция.
Первый путь - естественный радиоактивный распад практически используется для нагрева рабочего тела в микроракетных двигателях. Энерговыделение при естественном распаде радиоактивных изотопов используется в космических аппаратах для получения электрической энергии.
В термоядерной реакции энерговыделение очень велико -например на 1 кг дейтерия, превращающегося в гелий, можно получить 0,68*109 МДж/кг (162*109 ккал/кг) и удельный импульс тяги около 24,5*106 м/с (2,5*106 единиц). Но в настоящее время для начала термоядерной реакции нужны очень высокие температуры, порядка 2*106 К, таких источников пока нет, и управление термоядерной реакцией остается нерешенной технической задачей.
Третий вид ядерной реакции - цепная реакция деления тяжелых изотопов урана сейчас практически осуществляется в стационарных энергетических установках, в судостроении, делаются успешные попытки использования ядерной реакции в ракетных двигателях.
Энергетический уровень ряда цепных реакций весьма высок, что видно из следующих примеров.
Реакция синтеза - термоядерная.
Li+Н' 2Не + 2,13.108 МДж/кгтопл. (51*109 ккал/кг.)
Тепло, выделяющееся при этой реакции, эквивалентно теплу, выделяющемуся при сгорании 5000 т керосина. При обычном
12
сжигании лития в кислороде (2Li + 1/2О2 Li2О + 20 МДж/кг топл.) выделяется около 4800 ккал/кг, что только в 2,2 раза больше, чем при сжигании 1 кг керосина в кислороде. Реакция деления - цепная, ядерная
U235+n Хе + Сг + 8,36-107 МДж/кгтопл. (20-109ккал/кг урана)
и соответствует удельному импульсу тяги 12350 м/с. Это количество тепла эквивалентно теплу, выделяющемуся при горении 1300 т керосина.
Для практического осуществления ядерной реакции деления тяжелых изотопов урана U233, U235 и плутония Рu239 необходимо наличие так называемой критической массы. В условиях ядерноракетного двигателя необходимо управлять скоростью реакции, а это создает большие технические трудности.
1.4. ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ТОПЛИВ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
В состав химических топлив современных ракетных двигателей входит широкий круг веществ. Перечень веществ продолжает расширяться.
В общем виде классификация современных химических топлив показана на рис. 1.1.
Химические топлива делятся прежде всего по фазовому состоянию на газообразные, жидкие и твердые. Каждая из этих форм различается по своим признакам, например по характеру химической реакции или по типу применяемого окислителя.
13
Газообразные химические топлива ракетных двигателей удобно разделить на две основные группы.
1. Атомарные топлива, или газы на основе свободных радикалов,- топлива будущего, использующие энергию реакции ассоциации. Этот вид топлив в современных двигателях пока не применяется.
2. Газообразные топлива с кислородным или другим окислителем, использующиеся в окислительно-восстановительных ре-акциях. Топлива этой группы широко применяют для наземных испытаний или технологических отработок ракетных двигателей. Сюда относятся также горючие газы, водород, окись углерода, метан и др.
Жидкие химические топлива ракетных двигателей отличаются друг от друга числом компонентов. Однокомпонентные жидкие топлива включают индивидуальные топлива, или взрывчатые вещества, например нитроглицерин, нитробензол, метил нитрат, и смеси или растворы окисляющих и горючих веществ, например азотный тетраксид (N2О4) и спирт (СН3ОН) или перекись водорода (Н2O2) и гидразин (N2Н4). Развитие ре-акции горения в этом случае должно обеспечиваться применением специального катализатора*. Двухкомпонентные жидкие химические топлива, состоящие из двух раздельно подаваемых в камеру сгорания компонентов - окислителя и горючего, делят на самовоспламеняющиеся и несамовоспламеняющиеся. Обе эти группы очень многочисленны по своему составу и могут использоваться с самыми различными окислителями. По составу отдельных компонентов это могут быть индивидуальные вещест-ва, их смеси или растворы, иногда весьма сложные.
Для сжигания двухкомпонентных несамовоспламеняющихся топлив необходимо применять специальное зажигающее устройство.
Твердые химические топлива ракетных двигателей - многочисленная по своему составу группа представляет собой однокомпонентное топливо и состоит из окислителя и горючего, смешанных механически или являющихся твердым раствором.
В современных условиях принято разделять твердые топлива на баллиститные - коллоидные, являющиеся твердыми растворами, и смесевые, являющиеся механическими смесями твердых окислителей и горючих с различными специальными присадка-ми. Основным окислителем является кислород, но могут исполь-зоваться и фтор или его производные. В качестве горючего в этой группе наиболее широко применяются металлы, пластмас-сы, каучуки, целлюлоза и др. Современные ракетные топлива, разделяющиеся по фазовому состоянию на газообразное, жид-
* Однокомпонентные жидкие топлива в иностранной литературе называют «моннерголь».
14
кое и твердое, имеют промежуточные формы, так называемые смешанные или равнофазные.
В иностранной литературе эти формы получили не совсем удачное название «гибридные топлива». Это двухкомпонентное топливо, в котором один из компонентов может быть жидким, твердым или газообразным. Существуют топлива смешанного фазового состава, когда окислитель - газ (фтор или кислород), а горючее - жидкость (керосин, спирт и т. д.) или, наоборот, горючее - газ (метан), а окислитель - жидкий кислород*. Существуют и другие методы классификации современных ракетных топлив, например по характеру химической реакции (окислительная или восстановительная), по форме подачи в двигатель (раздельная или объединенная), по системе воспламенения (самовоспламеняющиеся или несамовоспламеняющиеся) и т. д.
1.5. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ТОПЛИВУ
Современные ракетные топлива должны удовлетворять большому числу технических требований. Выдвигая технические требования к топливу, необходимо прежде всего хорошо знать назначение и условия работы двигателя, для которого выбирается топливо или рабочее тело. Так, например, условия работы ракетного двигателя в космосе или ракеты дальнего действия заметно отличаются от условий действия зенитной ракеты или ракеты ближнего действия. Совершенно специфические условия возникают при работе ядерно-ракетного двигателя или ракетной установки с подводным стартом.
Для двигателя ракеты космической или дальнего действия можно использовать весьма токсичное вещество, а ракеты с такими двигателями запускать со стендов, хорошо оборудованных и приспособленных к специальным условиям работы (что требуется для токсичных топлив). Для космической установки выброс токсичных продуктов вообще не имеет решающего значения.
Применение токсичных топлив для установок массового использования с малообученным или неквалифицированным персоналом, или в условиях контакта с людьми недопустимо.
Требования к топливу химических ракетных двигателей делят на три основные группы.
I. Требования к топливу как к источнику энергии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
