Штехер М. С. - Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1043408), страница 38

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

Текст из файла (страница 38)

5. Почти неограниченный срок хранения или ограниченный только стабильностью компонентов. Компоненты смешанного ракетного топлива хранятся изолированно друг от друга. При хранении исключается окисление при низких температурах, что возможно в твердом ракетном топливе. Следовательно, хранение в данном случае определяется только временем стабильности самих компонентов.

6. Безопасность хранения и использования после длительного хранения для смешанных топлив неизмеримо выше, чем для любого ТРТ. Образование трещин в процессе длительного хранения в твердом компоненте не вызывает неуправляемости горе-ния и взрыва заряда после запуска. Количество вступающего в реакцию твердого компонента определяется не его поверхностью горения, а количеством второго жидкого компонента, передавае-мого в камеру.

7. В схеме А исключается или уменьшается возможность воз-никновения неустойчивых форм горения. Последнее утверждение ввиду небольшого числа экспериментов не получило еще широкой проверки и не имеет достаточно обоснованного объяс-нения.

Недостатки

1. Недостаточность сведений (данных), определяющих воз-можности использования смешанных топлив по:

а) конструктивным особенностям схем двигателя;

б) характеру рабочего процесса двигателя;

в) физико-химическим свойствам компонентов топлива;

г) особенностям различных композиций топлива.

2. Трудности организации процесса горения в камере, и по схеме Л и по схеме Б, при заданных значениях а и к.

3. Значительное ухудшение тяговых характеристик двигателя происходит при регулировании тяги в пределах 1/5, а регулирование в пределах 1/10 и 1/30 [60], вероятно, вообще невозможно.

203

4. Значительное снижение скорости реакции горения ряда композиций и при регулировке расхода. Как следствие этого условия - снижение КПД двигателя на смешанном топливе по сравнению с ЖРТ.

Схема рабочего процесса в двигателях, использующих СРТ

В
настоящее время в двигателях смешанного топлива используется схема, представленная на рис. 5.3. В зоне 1 находится окислитель в жидкофазном состоянии; в зоне 2 - пары окислителя; в зоне 3 - продукты окисления; на границах зон 3 и 5 располагается узкая активная зона реакций горения - 4; в зоне 5 - располагаются сублимированные пары и газы твердого компонента; в зоне 6 - плавящийся и раз-лагающийся слой твердого компонента и в зоне 7 - твердый компонент топлива.

Предлагаемая схема рабочего процесса для принципиальных теоретических его представлений, вероятно, одинаково удовлетворяет схеме А и Б двигателя на смешанном топливе. Практическое выполнение рабочего процесса по этой схеме оказалось невозможным, так как для полного сгорания топлива требовалась очень большая длина камеры, в 5-10 раз превышающая современные нормативы [60]. Процессы сгорания в двигателе на смешанном топливе и в двигателе на твердом топливе существенно отличаются друг от друга. В двигателе ТРТ под действием высокой температуры камеры идет сублимация однокомпонентного топлива. Оба компонента - горючая связка и окислитель, поставленные в равные условия, испаряются и сублимируют вместе и могут вступать в реакцию над поверхностью твердого топлива. Схематически этот процесс показан на рис. 5.4 [60]. В центре идет поток паров окислителя. Твердое горючее ис-

204

паряется, разлагается или сублимирует под действием высокой температуры зоны реакции, затем смешивается с паром газофазного окислителя на некотором расстоянии от поверхности в объеме камеры.

Граница встречи газофазных компонентов - окислителя и горючего является зоной реакции. Образующиеся продукты реакции перемещаются в сторону сопла и при этом их количество увеличивается, в то же время, количество окислителя уменьшается и это условие приводит к смещению зоны реакции в сторону центра камеры. Зона реакции в двигателе смешанного топлива имеет форму конуса, своей вершиной направленного в сопло (см. рис. 5.3). Отдаление зоны реакции от слоя твердого компонента, безусловно, ухудшает его сублимацию, а следова-тельно, нарушается и соотношение между компонентами, ухудшается весь процесс горения.

Рассмотренная схема процесса горения смешанного топлива в двигателе с подачей окислителя со стороны днища камеры, где легче и проще всего установить форсунки, явно неудовлетворительна. Для правильной организации рабочего процесса со смешанным топливом, по-видимому, нужны другие схемы разме-щения твердого компонента, другие его формы, может быть многоканальная шашка. Этот вопрос пока еще не получил своего окончательного решения. Из иностранных источников [60] следует, что для обеспечения полной диффузии газофазных окислите-ля и сублимированного горючего необходимо отношение D к L камеры, равное 1/60. Это очень неудобно, и двигатель будет тяжелым. Обычно D/L берется не более 1/10, в этом случае возникает заметное недогорание топлива и снижение КПД двигателя. Опираясь на все вышесказанное о схеме рабочего процесса двигателя со смешанным топливом, можно указать на ряд очень серьезных проблем, которые возникают при использова-нии этого вида топлива. Прежде всего это смесеобразование, за-тем сгорание, регулирование скорости горения изменением формы твердого компонента или введением соответствующих присадок, подбором самих компонентов и т. д. Конструктивное решение камеры сгорания с соответствующим размещением форсунок окислителя подбором новых форм заряда твердого горючего, применение составных зарядов может привести к положительному решению.

Рассматривая рабочий процесс в двигателе СРТ, необходимо обратить внимание на экспериментально установленное отсутствие зависимости скорости горения от давления при использовании схемы А и, наоборот, при схеме Б - проявление этой зависимости. В схеме А жидкий компонент - окислитель, его в  раз больше горючего, следовательно, схема А работает как жидкостный двигатель, где влияние давления на скорость горения мало. В схеме Б окислитель находится в твердом состоянии и его опять в  раз больше жидкого горючего, В схеме Б про-

205

цесс горения по существу ближе к условиям горения твердого топлива и зависимость скорости горения от давления заметна. Отсутствие неустойчивости в процессе горения смешанного топлива не получило надежного теоретического объяснения. Можно указать на четко установленную неоднородность состава смеси по длине и поперечному сечению камеры, которая показана на рис. 5.3. В этих условиях центральная часть газового потока занята окислителем и имеет температуру ниже, чем в зоне горения, причем поперечное сечение этой зоны не одинаково. По длине камеры наибольший его размер у головки, а наименьший - у сопла, где основной состав газов - продукты реакции. Можно полагать, что неоднородность состава, и особенно поля температуры, и является основной причиной, исключающей развитие неустойчивости горения, здесь нет условий для энергетической подпитки образовавшихся волн давления. Наоборот, волны теряют свою энергию, проходя через зону болеэ холодного окислителя. Возникает аналогия с действием «гидравлического креста» в жидкостных двигателях с неустойчивым го-рением [1, 2,20].

Энергетические показатели смешанного топлива

Рассматривая энергетические показатели смешанного топлива, отметим значимость не только удельного импульса тяги, отнесенного к единице массы топлива, но и удельного импульса тяги, отнесенного к единице объема. Кроме самой величины импульса тяги важной является зависимость его от  или %. К сожалению, в настоящее время из-за недостатка сведений не всегда можно указать оптимальное значение удельного импульса тяги по a или c. Удовлетворительные данные по оптимальными имеются только для жидких криогенных высокоэнергетических топлив.

Для смешанных топлив пока приходится пользоваться табличным материалом, главным образом по удельным импульсам тяги, часто без указаний, к каким условиям относятся эти данные. Ниже приводится табл. 5.1 удельных импульсов тяги смешанных топлив, проверенных на практике и предназначенных для проверки [40, 55, 60]. Указанные удельные импульсы тяги в основном относятся к условиям стехиометрии. Таблица составлена на основе материалов иностранных авторов, топлива располагаются по группам в зависимости от степени криогенности. В основном это топлива для двигателей, работающих по схеме А, когда окислитель жидкий, а горючее - твердое.

Перечень композиций в настоящее время расширяется очень быстро за счет применения окислителей на базе фтора и кислорода (так называемый FLOX) [59, 40].

В качестве горючего с FLOX испытаны литий, бериллий, гидрид лития и смеси гидрида лития с бериллием. Все указанные

206

Таблица 5.1

горючие имели горячую связку в количестве 20-25%. Эти топлива обеспечивают удельный импульс тяги в 4025-4275 м/с (410-435 с). Остальные данные по этим топливам пока неизвестны. Анализируя данные табл. 5.1, можно отметить, что группа СРТ на основе очень дешевых горючих и окислителей, так называемых бросовых топлив (первые 4 строки), имеет очень неплохие показатели по массовому удельному импульсу 2700-3040 м/с (275-310 с) и очень высокие значения объемного удельного импульса тяги 3730-4275 м/с (380-435 с). Улучшение топлив этой группы за счет очень небольшой добавки, например бериллия или использования гидрида бериллия, может поднять удельный импульс тяги до пределов современных ЖРТ, т. е. до 3140-3635 м/с (320-370 с). Это очень перспективное

207

Характеристики

Список файлов книги