Штехер М. С. - Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1043408), страница 30

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

Текст из файла (страница 30)

3. Изменять тип двигателя - переходить на так называемые-«гибридные двигатели», т. е. двигатели, использующие заряды смешанного фазового состояния. Например, двигатель несет заряд твердого горючего в камере сгорания, а окислитель используется жидкий и подается в камеру через форсунку насосным агрегатом.

Остановимся коротко на характеристике указанных путей. Подбор горючей связки, несущей в своем составе дополнительный окислитель и обладающей хорошей адгезией, в настоящее время возможен, но для этого требуется выполнить ряд условий: необходимо, чтобы в состав горючей связки входил кислород, чтобы связка обладала соответствующей плотностью и прочностью, чтобы обеспечивалось высокое газообразование. К числу таких связок относятся некоторые фторопласты, которые кроме того обладают хорошей реакционной способностью при введении в топливо металлических добавок для повышения

158

его плотности, температуры сгорания и в конечном счете удельного импульса.

Использование золей, гелей и кашеобразной структуры твердого топлива для увеличения кислородного баланса - пути давно известные, но очень мало разработанные. Повышение процентного содержания окислителя в любом из известных твердых топлив может привести к потере формуемости, и в этом случае возможно образование структуры, напоминающей «кашу». Тогда возможно увеличение G_ок/G_гор до 2—3, но это значение еще далеко до достижения оптимального I_уд, а нарушение формуемости потребует полной переделки конструктивных форм двигателя, что создает неоправданные трудности в применении этого решения. Переход к золям и гелям обещает хорошие результаты, но тут нужна еще серьезная и длительная исследовательская работа. Переход к двигателям, в камере сгорания которых находится заряд твердого горючего, а окислитель в, жидком сос-тоянии подается в камеру через форсунки насосным агрегатом, требует новых конструктивных решений и специальных исследо-ваний условий сгорания, смесеобразования, взаимного расположения компонентов в камере и создания совершенно новой схе-мы двигателя.

4.5. ГОРЮЧИЕ СМЕСЕВЫХ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ

Горючие вещества, входящие в состав твердого топлива, органического происхождения и по своей структуре могут быть твердыми, аморфными, пластичными и сыпучими. Горючие обычно выполняют и роль связующего вещества и поэтому должны обладать хорошей адгезией. Иногда роль «связки», склеивающего вещества, выполняет специальная добавка, также являющаяся горючим элементом. Например, в черном охотничьем порохе роль горючего выполняют древесный уголь и сера, которая обеспечивает адгезию [7].

Ассортимент горючих веществ может быть очень велик, но для использования в ракетных системах твердого топлива нужно, чтобы горючие отвечали определенным техническим требованиям. Компонент, являющийся горючим, должен:

1) обладать хорошей адгезией;

2) хорошо формоваться при прессовании, пластификации или отливке;

3) обладать после отливки способностью отверждения за счет полимеризации, коагуляции или термостатирования;

4) обладать низкой температурой воспламенения или низкой упругостью пара;

5) обеспечивать устойчивую (постоянную) скорость горения;

6) иметь хорошие энергетические показатели, т. е. иметь высокое газообразование, высокий удельный импульс или разви-

159

вать так называемую «силу пороха», которая выражается произ-ведением газовой постоянной продуктов сгорания на температуру горения в камере,

Горючие принято разделять на следующие группы: 1) смолы; 2) каучуки; 3) мономеры; 4) производные целлюлозы. С физическими и химическими свойствами компонентов этих групп можно подробнее ознакомиться, пользуясь справочными таблицами для каждого конкретного вещества.

В каждую группу может входить несколько десятков наименований. Для примера приведем некоторые наименования веществ, входящих в ту или иную группу предложенной классификации [38, 40].

В группу смол входят битумы и асфальты, эпоксидные смолы, полиэфирные смолы, фурфуролацетатные смолы, бутвар и различные компаунды. В качестве пластификаторов первой группы обычно используются масла нефтяного происхождения.

В состав второй группы входят полисульфиды (например, тиокол), карбоксилатные каучуки, полиизобутиленовые каучуки, бутилкаучуки, полиуретановые, силиконовые каучуки и др. Вторая группа горючих пластифицируется смолами.

Третья группа - мономеры. В эту группу могут входить стирол, бутилметакрилат, триэтиленгликольметакрилат, различные нитромономеры, высокомолекулярные соединения, способные к полимеризации. Пластификаторами третьей группы являются смолы и каучуки.

В состав четвертой группы могут входить нитроцеллюлоза, ацетатцеллюлоза, этилцеллюлоза, ацетатбутератцеллюлоза и др.

В качестве пластификаторов этой группы обычно используются различные растворители, применяющиеся в производстве баллиститных топлив.

4.6. СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ

Под свойствами твердых топлив понимается совокупность физико-химических констант и эксплуатационных показателей, которые определяют основные технические характеристики топлив и их компонентов. Свойства ТРТ делятся на 4 группы [40, 39, 54].

1. Физические свойства, главным образом физические константы топлив и так называемая стабильность.

2. Технические свойства. Здесь рассматриваются различные виды присадок, допуски на размеры зарядов, бронирование зарядов и прочностные свойства. Транспорт и токсичность компонентов.

160

3. Баллистические свойства. Сюда входят зависимости скорости сгорания заряда, форма и бронировка заряда, горение топлива в камере двигателя.

4. Термодинамические свойства. Здесь рассматриваются определения весовых относительных долей горючего и окислителя, определение состава продуктов сгорания, влияние коэффициента избытка окислителя на скорость горения и удельный импульс.

Физические свойства ТРТ

Плотность ТРТ. Плотность твердого топлива зависит от типа топлива, степени прессования и технологии изготовления заряда. Для баллиститных топлив среднее значение плотности оценивается в пределах от 1,5 до 1,65 г/см³, для смесевых топлив оно колеблется в пределах от 1,6 до 1,95 г/см³.

Плотность смесевого топлива можно несколько увеличить за счет добавки металлических компонентов, например алюминия.

Плотность твердых топлив в отличие от жидких практически не зависит от температуры заряда, но очень существенно за-висит от давления прессования. Так, например, целлюлозы, прессованные под давлением в 600 кгс/см², имеют плотность около 1,02-1,05 г/см³, при давлении прессования до 1600 кгс/см² плотность равна 1,25 г/см³, а при давлении 8000 кгс/см² -1,5 г/см³.

В процессе изготовления зарядов прессованием их плотность будет всегда выше, чем зарядов, изготовленных способом отливки.

Теплопроводность. Теплопроводность ТРТ почти постоянна для различных составов баллиститного и смесевого топлив. Среднее значение теплопроводности оценивается в 0,17 ккал/м °С или 712 Дж/м °С.

Теплопроводность несколько понижается с ростом температуры топлива. В расчетах скорости горения заряда и теплового состояния стенок камеры сгорания необходимо учитывать теплопроводность.

Теплоемкость. Теплоемкость зависит от состава ТРТ, но так как теплоемкость применяемых окислителей мало отличается от теплоемкости горючих, то в среднем она почти такая же, как для органических веществ. Среднее значение около» 1340 Дж/кгК (0,32 ккал/кг °С). С ростом температуры заряда теплоемкость несколько увеличивается.

Температуропроводность. За счет довольно большой плотности ТРТ температуропроводность выше, чем у газов, в средних значениях около 3*10^-4 м²/ч. Температуропроводность учитывается при расчетах теплового состояния стенок камеры и скорости выгорания зарядов.

161

Коэффициент линейного расширения. Этот показатель должен учитываться при конструировании самого заряда, конструкции крепления заряда в камере и других условиях.

Коэффициент линейного расширения имеет различное значение в зависимости от направления расширения (вдоль или поперек оси заряда), от метода изготовления заряда (прессование или отливка) и от размеров заряда.

Кроме того, на коэффициент линейного расширения влияют термостатирование заряда - уровень температуры, при которой производится термостатирование, и количество последовательных нагреваний и охлаждений (тренировок) заряда. На коэффициент линейного расширения влияет величина давления прессования и, конечно, температура заряда. Среднее значение коэффициента линейного расширения вдоль оси заряда

a₁ = (0,25...1,5)*10^-4 1/град

поперек оси заряда

a₂ = (1,5...2,5)*10^-4 1/град

В ряде случаев можно пользоваться значением коэффициента объемного расширения заряда, который в среднем можно принять равным

a_об = (4...6)*10^-4 1/град

К физическим свойствам ТРТ относятся физическая, термическая и химическая «стабильности». Сохранение стабильности заданных условий состояния заряда в процессе хранения гарантирует его техническую пригодность и надежность при использовании.

Рассмотрим каждую форму стабильности последовательно.

Физическая стабильность. Под физической стабильностью понимается сохранение постоянства распределения компонентов в заряде. При этом надо иметь в виду, что заряд ТРТ - это заряд однокомпонентного топлива, где объединены окислитель и горючее. До момента горения эти химически активные компоненты могут реагировать между собой. Естественно, что реакция разложения и газовыделение протекают очень медленно, без заметного энерговыделения, без повышения температуры. Химические реакции в массе заряда могут протекать не только в результате химической активности главных компонентов топлива. В составе топлива могут быть остаточные продукты технологического процесса, например серная или азотная кислота, используемые в процессах нитрации и не удаленные

162

полностью в процессе изготовления ТРТ и др. В результате таких реакций чаще всего образуются газы. Наличие газов в твердотопливной массе приводит к возникновению газовой диффузии, а наличие твердых продуктов реакции - к изменению состава топлива.

Твердотопливный заряд, соприкасаясь с окружающим воздухом, за счет гигроскопичности компонентов впитывает влагу. Из-за гигроскопичности заряда может изменяться его вес (увеличиваться при увлажнении и уменьшаться при высыхании). Могут меняться и размеры заряда (разбухание при увлажнении и уменьшении размера при высыхании). При этом может нарушаться прочность заряда - появляется ползучесть при разбухании и увлажнении. Кроме того, в заряде, как и во всяком изделии, в процессе изготовления возникают внутренние напряжения, которые в процессе хранения несколько изменяются и перераспределяются, т. е. происходит релаксация напряжений. Этот процесс может вызвать внутреннее перенапряжение материала и местные растрескивания заряда, что исключает его использование.

Таким образом, физическая стабильность предусматривает минимальное перераспределение компонентов в результате газовой диффузии, стабильность массы (за счет постоянства влажности), релаксацию напряжений без растрескивания заряда.

Термическая стабильность. Под термической стабильностью заряда ТРТ понимается растрескивание топливной массы в результате действия образовавшихся газов и изменения внутреннего давления.

Выше уже говорилось, что в процессе хранения заряда ТРТ возникают медленно протекающие окислительные реакции, в результате которых образуются газы. Под действием внешней температуры или при термостатировании количество накопившихся газов в массе заряда может оказаться значительным, при этом заметно увеличивается внутреннее давление, газы разрывают массу заряда и выходят наружу. Образующиеся трещины опас-ны потому, что резко увеличивают поверхность горения заряда, при этом нарушается заданный закон выгорания массы ТРТ и меняется тяговая характеристика двигателя. Если трещин много, то заряд может сгореть с очень большим газовыделением, что может привести к взрыву двигателя.

Химическая стабильность. Под химической стабильностью ТРТ понимается способность заряда длительное время сохранять свой состав без разложения, возникающего в результате медленно протекающих окислительных реакций в процессе хранения заряда. Абсолютная химическая стабиль-ность для однокомпонентного топлива практически невозможна. Но задержать процессы разложения ТРТ в условиях хранения можно на довольно значительный срок. Для этого в состав топ-

163

лива вводятся специальные присадки - стабилизаторы химической стойкости.

Процесс.химического разложения заряда в начале хранения протекает медленно, затем характер его изменяется в приобретает экспоненциальный вид, подчиняясь закону Аррениуса:

Характеристики

Список файлов книги