Штехер М. С. - Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1043408), страница 27

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

Текст из файла (страница 27)

Токсичность диметилгидразина высока, и последствия отравления очень тяжелы: почти полная потеря работоспособности при слабом отравлении и расстройство деятельности нервной системы при более сильных отравлениях.

Токсичное действие диметилгидразина может передаваться через одежду, поэтому совершенно недопустимо нахождение в

142

производственной одежде в столовых или в домашних условиях, з-то особенно опасно для детей.

Максимальные допустимые концентрации диметилгидразина в воздухе рабочих помещений составляют 0,5*10^-6 [40].

При кратковременном контакте максимальные концентрации могут быть увеличены почти в 10 раз, но лучше этого не допускать. Защитные меры предосторожности при работе с диметилгидразином предусматривают использование специальной одежды, состоящей из прорезиненных брюк и куртки с головным ка-пюшоном, очков, перчаток и резиновых сапог.

При работе в помещениях с более высокой концентрацией, чем допустимо по нормам, необходимо пользоваться автономным источником подачи воздуха для дыхания, так как защитные противогазы не обеспечивают длительного пребывания в загазованной среде. При попадании жидкого диметилгидразина или гидразина на кожу необходимо срочно и тщательно промыть пораженные участки большим количеством воды и затем слабым раствором уксусной или лимонной кислоты.

Энергетические характеристики несимметричного диметилгидразина существенно зависят от выбора окислителя. Так, с фтором удельный импульс достигает 3340-3385 м/с (340-345 с), с кислородом 2950-3040 м/с (300-310 с), а с перекисью водорода и азотным тетраксидом около 2850-2900 м/с (280-285 с) в области, близкой к стехиометрическим условиям или чуть ниже, при c: = 0,85....0,9 [1], (см. рис. 3.4).

Как видно из приведенных данных, разница между удельными импульсами с кислородом и фтором составляет только 12-15%, а эксплуатационные показатели фтора значительно хуже, чем кислорода, поэтому целесообразно использовать только кис-лород.

Разница между удельными импульсами НДМГ с криогенным кислородом и нормальными жидкостями - перекисью водорода и азотным тетраксидом - еще меньше, около 5-7%. Учитывая, что НДМГ и AT дают самовоспламеняющуюся пару топлива, очевидно, целесообразно их применение на современных жидкостных ракетных двигателях.

Использование кислородсодержащих окислителей с НДМГ дает максимальные значения удельных импульсов, когда водород сгорает в Н₂О, а углерод главным образом в СО и частично в СО₂. Полное окисление углерода в СО₂ дает хорошие экспериментальные показатели. При подборе окислителя необходимо считаться с этими условиями.

Использование фтора целесообразно и дает наибольший удельный импульс, когда фторосодержащее топливо обеспечивает полное образование HF. Образующиеся при этом фториды углерода мало увеличивают значения удельного импульса, но за-метно увеличивают молекулярный вес продуктов сгорания, что не очень полезно для тяговых двигателей.

143

Именно по этим соображениям использование фторсодержащих окислителей с диметилгидразином оказывается нецелесообразным по сравнению с кислородсодержащими окислителями.

Симметричный диметилгидразин (CH₃NH-NHCH₃)

Симметричный диметилгидразин получают действием хлористого бензоила на гидразинсульфат в присутствии едкого натра [38]. Выход симметричного диметилгидразина по этому способу составляет 75-78% от теоретического. Симметричный диметилгидразин при нормальных условиях - жидкость, дымящая на воздухе, гигроскопична, растворяется в воде, спирте, эфире. Симметричный диметилгидразин обладает восстановительными свойствами [40].

Температура кипения симметричного диметилгидразина равна 354 К (81° С), температура плавления равна 264 К (-9,0° С). Плотность симметричного диметилгидразина при 293 К (20° С) равна 0,8274 г/см³.

Критическая температура 800 К (527° С), критическое давление 90 кг/см².

При нагревании до 595 К (320° С) симметричный диметил-гидразин разлагается на метан и азот по реакции CH₃NH--NHCH₃2СН₄ + N₂.

Плотность, упругость паров, кинематическая вязкость и по-верхностное натяжение диметилгидразина зависят от температуры.

Метилгидразин

Метилгидразин или монометилгидразин [CH₃N₂H₃] является производным гидразина.

Внешне Метилгидразин представляет собой бесцветную, про-зрачную, весьма подвижную жидкость со следующими физичес-кими свойствами:

Температура плавления . ...... 220,6 К (-52,4° С)

Температура кипения . ...... 360 К (87° С)

Плотность при 293 К (20° С) . ...... 0,816 г/см³

Критическая температура . ..... 530 К (257° С)

Критическое давление . ...... 75 кг/см²

Скрытая теплота испарения . ......40,5 кДж/г*моль

(9,65 ккал/г*моль) Теплота образования . ...... 52,4 кДж/г*моль

(-12,5 ккал/г-моль)

Метилгидразин обладает высокой стабильностью и весьма токсичен. Отличается большой летучестью из-за высокого давления насыщенных паров, в пожарном отношении значительно опаснее гидразина и диметилгидразина.

Токсичность его несколько слабее чем диметилгидразина, однако характер действия и признаки отравления одинаковы.

144

Коррозионная активность незначительна. Конструкционные материалы' можно применять те же, что и для диметилгидразина, ограничения по применению металлов такие, как для гидразина, а по неметаллическим материалам такие же, как для диметилгидразина.

Энергетические характеристики метилгидразина [40] мало отличаются от диметилгидразина. Необходимо отметить, что разница удельных импульсов кислородных и фторных окислителей незначительна. Поэтому нецелесообразно использование метилгидразина с фтором и его производными, так как фторсодержащие окислители неполностью окисляют углеводород.

Метилгидразин склонен к каталитическим реакциям, как гид-разин.

Аэрозин

Аэрозином, по данным США, принято называть смесь из 50% гидразина и 50% несимметричного диметилгидразина. Применение такой смеси вызвано к жизни рядом практических соображений. По энергетическим показателям следовало бы предпочтительно использовать чистый гидразин. Его удельные импульсы с кислородом и фтором выше, чем диметилгидразина и метилгидразина. Плотность чистого гидразина также значительно вы-ше, чем у двух его производных, но он обладает очень высокой температурой застывания, равной 274,7 К (1,7° С). В смеси сдиметилгидразином, который обладает температурой застывания около 216 К (-57°С), этот недостаток гидразина исправляется. Ниже приведены параметры, характеризующие аэрозин.

Температура застывания ........ 265,7 К (-7,3° С)

Температура кипения........ 343 К ( + 70° С)

Плотность при 294 К (2Г С) ........0,9 г/см³

Энергетические характеристики аэрозина (удельный импульс) располагаются между характеристиками гидразина и диметилгидразина.

Токсичность одинакова с метилгидразином. Аэрозин стабилен и стоек к удару, при нормальных условиях - бесцветная жидкость с характерным «аммиачным» запахом.

Металлы и другие конструкционные материалы, совместимые с гидразином, допускаются для использования и с аэрозином. При выборе прокладочных материалов лучше ориентироваться на диметилгидразин.

Глава 4

ТВЕРДЫЕ РАКЕТНЫЕ ТОПЛИВА

Простейшим видом ракетного двигателя является двигатель на твердом топливе, представляющем собой многокомпонентную однородную смесь горючего и окислителя.

О сновным отличием этого топлива является его твердое агрегатное состояние. Вторая отличительная особенность заключается в том, что весь запас топлива размещается непосредственно в камере сгорания двигателя. Последнее обстоятельство является не только конструктивным отличием двигателей твердого топлива, но и существенно влияет на его рабочий процесс.

Принципиальная схема ракетного двигателя на твердом топливе (РДТТ) показана на рис. 4.1. Схема очень четко подчеркивает простоту конструкции двигателя и топливного заряда.

В зависимости от назначения двигателя, состава применяемого топлива, характера изменения тяги по времени и продолжительности работы эта схема может несколько изменяться, но всегда остается простой. Размеры двигателей твердого топлива, а следовательно, и зарядов к ним, могут очень широко меняться. В современных условиях минимальные размеры заряда твердого топлива укладываются в несколько миллиметров по диаметру и несколько десятков миллиметров по длине. Вес такого заряда не превышает десятка граммов. Максимальные же размеры заряда в экспериментальных образцах, например, американских двигателей, могут достигать 10-11 м в диаметре и 30-40 м в длину, а вес заряда исчисляется сотнями тонн. По данным США [61, 62, 63, 64], считается наиболее рациональным использовать заряды с наибольшим диаметром - от 2,5 до 6,6 м при длине от 10 до 35 м.

Важным достоинством ракетных двигателей на твердых топливах считается способность самих топлив длительно храниться

146

в состоянии боевой готовности. Это обеспечивает хранение двигателей в снаряженном состоянии и очень важно для военных целей.

Длительное хранение готовой к боевым действиям ракеты с твердым топливом позволяет накопить достаточный запас этого оружия, что экономически весьма выгодно.

Для изготовления твердого топлива обычно используются довольно простые и дешевые материалы, например, селитра или перхлорат аммония в качестве окислителя и целлюлоза, битум, каучук и некоторые полимеры в качестве горючего; низкая стоимость указанных материалов обеспечивает относительную дешевизну производства твердого топлива. Твердые топлива по сравнению с жидкими обладают большей плотностью. Среднее ее значение оценивается в пределах от 1,6 до 2,3 г/см³. Увеличение плотности топлива обеспечивает меньший габарит ракеты и, как правило, больший объемный удельный импульс. При одинаковых габаритах двигателей это условие позволяет получить несколько большую полную тягу двигателя. Так, первая ступень ракеты «Сатурн-5» имеет диаметр 10 м, длину 44,5 м и весит около 2500 т. При этом полная тяга пяти жидкостных двига-телей «Рокитдайн-1» составляет около 3400 т. Такая же тяга обеспечивается двигателем твердого топлива, имеющим диаметр 6,6 м, длину 43,0 м, а масса его только 794 т. При одинаковых габаритах твердотопливного и жидкостного двигателей на пер-вой ступени ракеты «Сатурн-5» РДТТ имел бы тягу около 6800 т, т. е. в два раза больше, чем жидкостной. Однако, этот выигрыш в тяге и весе для РДТТ требует по ряду условий некоторой поправки и фактически снижается [61, 65, 66].

Когда требуются большие тяги и обеспечиваются большие размеры двигателей, переход на РДТТ дает заметный экономический эффект по сравнению с ЖРД- По последним расчетам США замена первой ступени ракеты «Сатурн» ступенью РДТТ диаметром 6,6 м обеспечивает снижение стоимости вывода на орбиту одинакового груза почти вдвое [65, 66].

Помимо больших и неоспоримых достоинств у РДТТ есть и ряд весьма существенных недостатков, которые по взглядам иностранных специалистов прежде всего сводятся к следующему.

1. Современные твердые топлива обладают на 10-20% меньшим удельным импульсом (на 1 кг топлива) по сравнению с современными жидкими топливами.

2. Большие размеры и вес двигателя очень осложняют транспортировку РДТТ, в ряде случаев этот вопрос может перерасти в проблему.

3. С ростом диаметра камеры резко возрастает нагрузка на стенки и швы, а это ограничивает давление в камере, общий вес заряда и, следовательно, полную тягу двигателя. Утолщение

147

стенок обеспечивает увеличение прочности, но вызывает увеличение веса двигателя.

4. Современные твердые топлива вызывают ряд трудностей по регулированию тяги и многократности действия двигателя.

5. Весьма сложной является технология изготовления, особенно для зарядов с большим диаметром и длиной [64].

4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Существуют два важнейших класса твердых топлив. Основой первого являются сложные эфиры азотной кислоты, такие как нитроглицерин и нитроцеллюлоза. Такое топливо принято называть двухосновным или баллиститным. Для сокращения будем обозначать эту группу буквой Б. Основой второго топлива являются неорганический окислитель, например селитры или перхлораты, и органическое горючее, смолы, каучук или полимеры. В ряде случаев к ним добавляются различные присадки для повышения качества топлива. Такое топливо называется смесевым, сокращенно будем обозначать его буквой С [2, 7, 40].

В качестве окислителя в смесевых топливах используются естественные нитраты - калиевая или натриевая селитра или соли хлорной кислоты - перхлораты, например перхлорат аммония или лития. В качестве окислителя в баллиститных топливах используются нитроглицерин, метилнитрат, нитрогликоль и другие вещества, называемые труднолетучими растворителями (ТЛР). Все ТЛР содержат большое количество кислорода, например, в состав нитроглицерина входит 9 атомов кислорода, его условная формула С₃Н₅N₃О₉.

В двух основных топливах труднолетучий растворитель является не только окислителем, но и желатинизатором или пластификатором нитроцеллюлозы. Процесс желатинизации доводит нитроцеллюлозу до коллоидного состояния; на этом основании баллиститное твердое топливо часто называют коллоидным.

Процесс пластификации - желатинизации способствует размягчению нитроцеллюлозы, получаемая при этом масса приобретает свойства формоваться под давлением. Количество введенного пластификатора - окислителя не должно быть слишком большим, в этом случае отформованный заряд не будет сохранять приданную форму из-за слишком большой размягченности. Недостаток пластификатора приведет к созданию «сухих» заря-дов, склонных к образованию трещин.

Смесевые твердые топлива также пластифицируются. Роль пластификатора в этом случае обычно выполняет один из компонентов топлива, чаще всего горючее.

устойчивость формы, приданной заряду смесевого топлива, обеспечивается адгезией - свойством слипаемости отдельных частиц окислителя и горючего, из которых состоит смесевое топ-

148

Характеристики

Список файлов книги