Штехер М. С. - Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1043408), страница 37

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

Текст из файла (страница 37)

Водород сжижается при 20 К в бесцветную, без запаха жид-кость и при 14 К переходит в твердое состояние [11, 12, 41].

Жидкофазное состояние ограничивается очень узким диапазоном температуры при очень низком ее уровне по абсолютной шкале. Низкая плотность жидкого водорода (0,071 г/см³) вы-зывает серьезные трудности при создании ракет, так как резко возрастает объем и габариты бака для горючего.

Жидкий водород - сжимаемая жидкость, параметры ее подчиняются характеристическому уравнению pv = RT, а точнее, уравнению Ван-дер-Ваальса. Применение водорода вызывает существенные трудности в работе и конструировании турбонасосного агрегата, так как приходится конструировать многоступенчатые насосы, что увеличивает массу и мощность агрегата. Огехиометрическое соотношение окислителя и горючего для во-дородкислородного топлива равно 8,1, при этом =1 _т = 0,42 кг/м³, удельный импульс тяги составляет около 360 с (3540 м/с), а наибольший импульс тяги в пределах 420 с получается при коэффициенте избытка окислителя около 0,3, т. е. в области очень глубокого обогащения горючим. Если двигатель ориентирован на максимальный удельный импульс тяги, то возникают трудности, при  = 0,3 плотность топлива снижается до 0,20 кг/м³ и объем бака для горючего — водорода будет почти в два раза больше, чем при стехиометрических условиях [11, 17].

197

Водород получают в газофазной форме методом электролиза воды, методом конверсии в метане (СН₄) или по реакции водяного газа воздействием водяного пара на раскаленный кокс.

После очистки и сушки газофазный водород сжижается охлаждением с последующим дросселированием. При сжижении надо считаться с реконверсией ортопараводорода.

В сжиженном водороде переход протекает медленно и сопровождается выделением тепла. Для ускорения реакции необходимо вводить катализаторы. Все это очень удорожает процесс и поэтому жидкий водород стоит очень дорого.

Пожароопасность водорода очень высока, так как воспламеняется он в очень широком диапазоне концентраций, с кислородом от 4 до 94%, с воздухом от 12 до 84%. Водород горит бесцветным пламенем, что затрудняет обнаружение горения. Пожароопасность увеличивается еще за счет электризации парофазной струи при утечке водорода.

Жидкий водород коррозионно не активен, но может вызы-вать разрушение материала за счет его охрупчивания при низкой температуре.

Одной из труднейших задач эксплуатации является сохране-ние водорода в жидкофазном состоянии в баках и трубопрово-дах установки. Теплоизоляция обычными материалами - пробкой, пенопластом и др. не дает удовлетворительных результатов, требуется вакуумпорошковая или вакуумная теплоизоля-ция. При заправке баков жидким водородом полностью исклю-чается попадание посторонних примесей, влаги и воздуха, кото-рые могут вызвать непредвиденные и нежелательные явления [15, 40, 62].

Особенно опасно попадание в бак с водородом газообразного или жидкого воздуха или кислорода, которые немедленно замерзают, опускаются на дно и образуют «гремучую смесь», способную взрываться при самом незначительном внешнем импульсе.

В последнее время для улучшения хранения жидкого водорода в практике США используется «шугообразный водород», представляющий собой переохлажденный жидкий и водород, частично превращенный в лед,- «шугу» [40, 62].

Образующаяся в начале переохлаждения водорода шуга должна проходить процесс «старения», при этом увеличивается плотность до 0,085 кг/м³, а шуга приобретает форму шариков с диаметром от 0,05 до 0,6 см. Количество шуги зависит от вре-мени старения, за первые 5 ч образуется 35%, за последующие 10-12 ч до 50%, а после 100 ч ее количество может достигать 60-65%.

За счет применения шугообразного водорода повышается плотность горючего, улучшается использование объема баков из-за увеличения скрытой теплоты парообразования, упрощается теплоизоляция баков и можно использовать обычную пеноуретановую теплоизоляцию.

198

Шуга не ухудшает текучесть водорода, но и не увеличивает удельный импульс тяги. При этом возникает и ряд недостатков: необходимо время на старение шуги, нужна организация рецеркуляции шугообразного водорода через баки и систему питания, фильтрация шуги в баках, необходимо разработать методы кон­троля поведения шуги в баках и накопить достаточный запас знаний по эксплуатации шугообразного водорода.

По данным США, в опытах на ступени ракеты «Сатурн» [62] установлено, что в баки можно загрузить 23,0 шугообразного водорода вместо 19,9 т жидкого. Оптимальное  для водородно-кислородного топлива равно 5,5, а для шугообразного (50% шуги) -  = 4,2.

На старте ракеты выкипание шугообразного водорода определяется в 0,44%, а для нормального жидкого водорода оно достигает 3,04%.

Несмотря на явные преимущества шуги, при ее использова-нии происходит некоторое ухудшение качества топлива в результате снижения c до 4,2, при этом его плотность снижается примерно на 15%. Главнейшие сведения о жидком водороде подчеркивают трудности использования его как горючего в составе ракетного топлива, но не исключают его применение.

Фторводородное топливо

Фторводородное топливо в настоящее время является одним из самых высокоэнергетических и в то же время в высокой степени криогенным. Удельный импульс тяги фторводородного топлива оценивается в 4520-4620 м/с (460-470 с), а импульс тяги на м³ - 2900 м/с (295 с). По степени криогенности фтор находится на нижнем пределе средней степени криогенности, а водород - на нижнем пределе высокой степени криогенности.

Оба компонента в условиях эксплуатации создают очень большие трудности из-за криогенности, взрывоопасности, а фтор еще из-за токсичности и агрессивности по отношению к конструкционным материалам.

Фтор надежно обеспечивает самовоспламенение топлива с любым горючим, хорошо смешивается и соединяется с кислоро-дом, образуя смеси и соединения, которые удобно использовать при сжигании углеводородных горючих.

Как окислитель фтор лучше всего использовать с водородом или другими веществами, где водород является основной горючей составляющей, например с аммиаком. Такие топлива обеспечивают наибольший удельный импульс [40]. При работе с фтором надо пользоваться кислородными и воздушными масками со шланговым питанием или изолирующими кислородными или воздушными противогазами типа акваланг. Применение защитных противогазов с поглотителем не допускается, так как возможно воспламенение и взрыв поглотителя, например такого,

199

как активированный уголь. При работе с фтором должна применяться специальная защитная одежда, изготовленная из несгораемых материалов на основе неопрена.

Большинство реакций может начинаться при нормальной температуре или при подогреве до 300-325 К (27-52° С).

Коррозионная активность фтора очень высока, для работы с ним нужен очень тщательный подбор конструкционных материалов. Наиболее стойкими во фторе считаются красная медь, никель и монельметалл. Относительно стойкими являются чистый алюминий и некоторые марки нержавеющей стали и бронзы В условиях повышенных температур рекомендуется применять медь, никель и монельметалл, они стойки до 825-1000 К (552-727° С). При контакте чистого фтора с поверхностью металла обычно образуется пленка довольно стойких фторидов металла.

Образование пленки препятствует разрушению, но с увеличе-нием температуры, давления и скорости движения жидкости по поверхности пленка фторида может разрушаться, затем снова образовываться и снова разрушаться и так до полного разрушения детали. Такой процесс в некоторых случаях может привести к образованию очага горения металла конструкции в жид-ком фторе и к взрыву.

В результате последних исследований по фтору [40, 59] выяснилась заметная разница в плотности жидкого фтора в зависимости от температуры. Так, по данным Сарнера и Миллера [40], плотность меняется от 1,67 г/см³ при -215° С до 1,47 г/см³ при -188° С (85 К). Среднее значение плотности, обычно принимаемое в расчетах для оценки размеров баков, труб и других систем, равно 1,55 г/см³, но его рекомендуется корректировать в соответствии с конкретными условиями работы систем.

Энергетические показатели фтора как окислителя очень высоки, и с этих позиций использование фтора весьма перспективно. Фтор с водородом как горючим обеспечивает удельный импульс тяги в пределах от 4520-4660 м/с (460-475 с) при  = 0,95, т. е. весьма близко к стехиометрическим условиям (₀ -= 19,0). В этом случае фтора берется почти в 18 раз больше, чем водорода и, если учесть, что плотность фтора около 1,6, то плотность топлива значительно выше кислородводородного эталона.

При использовании фторводородного топлива при =16...18 с малыми количествами горючего с низкой плотностью (0,07 г/см³) и относительно большими количествами окислителя с высокой плотностью (1,6 г/см³) размеры баков становятся почти одинаковыми. Последнее обстоятельство целесообразно по условиям конструкции ракетных установок.

Как уже указывалось выше, удельный импульс тяги у фторводородного топлива изменяется в широком диапазоне, а  или  незначительно. Это позволяет конструктору двигательной установки широко варьировать  или , а значит, и массовыми

200

показателями ракеты без существенного отклонения от оптимальных значений удельного импульса тяги топлива. Многочисленные производные фтора могут обеспечить довольно высокие удельные импульсы тяги, но по условиям эксплуатации не лучше, чем у фтора, по производственным возможностям они не всегда могут конкурировать с фтором. Для оценки энергетических и эксплуатационных показателей ряда групп новых высоко-энергетических топлив рассмотренные нами основные показатели эталонного кислородводородного топлива и фторводородного высококриогенного жидкого и высокоэнергетического топлива вполне достаточны. Удельный импульс тяги фторводородного топлива в данном случае находится на верхнем пределе для современных жидких топлив, уже введенных в эксплуатацию 140, 59].

Эти показатели дают возможность оценивать качества и пра-вильно выбирать новые высокоэнергетические смешанные ракетные топлива.

5.2. СМЕШАННЫЕ ТОПЛИВА (СРТ)

С мешанными ракетными топливами называются такие топлива, в которых один из компонентов жидкий, а второй - твердый. Двигатели, использующие СРТ, работают по двум схемам (рис. 5.2) [60]. Схема А -используется жидкий окислитель и твердое горючее (прямая схема). Схема Б -используется жидкое горючее и твердый окислитель (обратная схема).

Конструктивными особенностями обеих схем двигателей СРТ являются:

а) изготовление камеры и сопла по типу двигателей твердого топлива (в камеру закладывается твердый компонент) ;

б) системы подачи жидкого компонента по типу жидкостных однокомпонентных двигателей.

В соответствии с этими схемами двигателей можно разделять и топлива. Топливо А имеет жидкий окислитель и твердое горючее, топливо Б имеет жидкое горючее и твердый окислитель.

Такое разделение весьма существенно влияет на конструктивные показатели двигателя и энергетические характеристики

201

топлива. Наиболее существенно разница в схеме Л и Б проявляется в процессе горения топлива, этот вопрос будет рассмотрен ниже более подробно. Независимо от типа схемы А или Б для СРТ в настоящее время четко определяется еще и разделение на высокоэнергетические топлива и топлива на основе дешевых компонентов массового производства, или так называемые «бросовые топлива» [40, 60]. Для современных смешанных топ-лив можно четко сформулировать и технические требования. Они делятся на три группы так же, как и технические требования к обычным жидким ракетным топливам.

1. Энергетические требования. Топливо должно обеспечивать максимальные теплопроизводительность, удельный импульс тяги, массовый и объемный, обладать наибольшей плотностью, обеспечивать надежное самовоспламенение.

2. Требования, обеспечивающие охлаждение двигателя. Топливо должно обеспечивать охлаждение двигателя хотя бы одним из компонентов.

3. Эксплуатационные свойства. Топливо должно обеспечивать стабильность, малую коррозионную активность, способность к длительному хранению, относительную нетоксичность, производственную доступность и дешевизну. Смешанные высоко-энергетические топлива должны использоваться на ракетных установках дальнего действия и космического назначения.

Смешанные топлива на основе бросовых материалов должны использоваться в ракетах массового производства и ближнего действия.

Преимущества и недостатки двигателей, использующих СРТ, по мнению иностранных специалистов

Преимущества

1. Высокий удельный импульс, массовый и объемный, особенно последний. Это объясняется подбором компонентов топлива. Увеличение удельного импульса тяги на единицу объема есть прямое следствие высокой плотности твердого компонента.

2. Многократность запуска двигателей со смешанным топливом. Запуск обеспечивается в данном случае самовоспламенением компонентов и подачей жидкого компонента в камеру. По прекращении подачи жидкого компонента двигатель останавливается. Возобновляется подача - происходит запуск и возобновляется работа двигателя. В идеальном случае двигатель на смешанном топливе может иметь бесконечное число запусков [60].

3. Широкий диапазон регулировки тяги. В ряде случаев утверждается, что двигатель на смешанном топливе может иметь изменение тяги в пределах от 1/10 до 1/30. Считается, что величина тяги в двигателе со смешанным топливом зависит только от количества подаваемого в камеру жидкого компонента, кото-

202

рьш вступает в реакцию со вторым - твердым компонентом, находящемся в камере. В действительности в реальном рабочем процессе имеется достаточно условий, ограничивающих теоретические возможности. Например, из-за малых количеств, плохого распыливания и испарения жидкого компонента рабочий процесс может не организоваться и двигатель не будет давать тягу. 4 Расширение возможностей использования. Действительно, если все предыдущие условия выполняются, то двигатели на смешанном топливе могут получить применение в авиации как главные и вспомогательные двигатели в аппаратах дальнего и ближнего действия, в космических аппаратах как двигатели тяговыс, стабилизирующие и корректирующие.

Характеристики

Список файлов книги