Штехер М. С. - Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1043408), страница 39

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

Текст из файла (страница 39)

направление, тем более, что это нормальные, некриогенные топлива.

Далее можно отметить, что все криогенные СРТ обладают вообще весьма высокими показателями по массовому удельному импульсу тяги - от 3040 м/с до 4720 м/с (310-480 с), в сред-нем около 3740 м/с (380 с). По объемному удельному импульсу их показатели очень высоки, от 3930 до 5900 м/с (400-600 с), в среднем около 4520 м/с (460 с). Эта цифра указывает на очень большую компактность конструкции ракетной установки с такими топливами. Расчеты, сделанные для ракеты «Аполлон», показывают, что габариты двигательной установки ракеты для кислородводородного топлива имеют 5,56 м в диаметре, 13,5 м по длине [62]. Тогда как размеры этой же установки для смешанных топлив уменьшаются до 3,5-4,5 м в диаметре и 9,2 м в длину, соответственно масса установки сокращается почти в два раза. На опыте двигателя «Атлас — Кентавр» американские специалисты [60] считают, что использование СРТ снижает длину в 1,23 раза, по диаметру - в 2,5 раза. Масса снижается с 3800 до 1830 кг по сравнению с двигательной установкой на жидком топливе. Особенно важным является снижение расхо-дов: на проектирование и доводку двигательной установки с СРТ затрачивается около 17 млн. долл., а на жидкое топливо около 37 млн. долл. Среди будущих смешанных топлив, как по-казывает табл. 5.1, преобладает использование гидридов, особенно гидрида бериллия и лития. Кроме того, широко внедряются пластмассы, фторопласт и метанол (—СН₂—). Применение гидрида бериллия со фтором и его производными особенно перспективно и может обеспечить удельный импульс тяги до 4620 м/с (470 с), т. е. столько жедаетфторводородное топливо. В этом случае можно будет исключить применение водорода, эксплуатация которого вызывает трудности. Однако токсичность пары фтор - бериллий должна учитываться [40, 59].

Следует отметить (по табличным данным) достаточно высо-кие значения по удельному импульсу тяги для такого окислителя, как моноокись фтора, особенно при использовании с пластмассами. Перекись водорода с гидридом бериллия также дает очень высокие значения удельных импульсов, особенно объемных, 5560 м/с (566 с). Так как это топливо некриогенно, то хранение и эксплуатация его-упрощаются, использование перекиси водорода, очевидно, становится целесообразным, особенно в установках длительного хранения.

5.3. ТРЕХКОМПОНЕНТНОБ СМЕШАННОЕ РАКЕТНОЕ ТОПЛИВО (ТСРТ)

ТСРТ - сложное смешанное ракетное топливо с добавкой жидкого или газофазного водорода в качестве рабочего тела, нагреваемого за счет сгорания основного смешанного топлива.

208

Роль водорода как рабочего тела в любом ракетном двигателе достаточно хорошо известна. Водород, обладая очень малым юлекулярным весом, имеет самое высокое значение газовой постоянной и, следовательно, позволяет получить самое высокое шачение скорости истечения газов из сопла и высокий удельный импульс тяги.

Увеличение удельного импульса тяги за счет добавки водорода принципиально простое решение, но практическое выполнение этой схемы в двигателе приводит к существенным усложгениям. Двигатель на ТСРТ должен иметь двухкомпонентную систему подачи жидких компонентов, как в обычном жидкостном ракетном двигателе. Следовательно, то преимущество, которое обеспечивается в двигателе смешанного топлива - упрощение системы питания, в данном случае отсутствует. Более того, добавка жидкого водорода усложняет систему питания из-за установки насосов, баков и устройства магистралей для жидкого водорода. Ракета с двигателями на ТСРТ требует усложнения стартового оборудования с учетом условий эксплуатации жид-кого водорода [55].

Однако применение жидкого водорода в качестве компонента топлива при наличии высокоэнергетического смешанного топлива может дать значительное увеличение удельного импульса и этим могут быть оправданы все усложнения конструкции двигателей, ракеты и стартовых устройств. Как показывают первые приближенные оценки, удельный импульс ТСРТ может быть получен в пределах 4820-5500 м/с (490-560 с), а возможно, и выше. Это в современных условиях очень высокие показатели, благодаря которым ТСРТ превосходят современные жидкие и, тем более, другие виды ВЭТ.

Современные ТСРТ, как правило, используются на двигателях схемы А с применением двухкомпонентной системы питания. Ниже приводятся основные показатели ТСРТ (табл. 5.2). Все эти топлива, очевидно, из-за наличия водорода имеют высокую степень криогенности. В табл. 5.2 в скобках указывается твер-дый компонент топлива.

Приведенные данные относятся к стехиометрическим соотно-шениям горючего и окислителя [40, 55, 60].

Как видно из табл. 5.2, твердым компонентом является бериллий либо алюминий, либо гидрид металла. Использование металлического бериллия заметно увеличивает удельный импульс, особенно с кислородом. Применение дорогих горючих, таких как бериллий или литий, в данном случае оправдывается заметным ростом удельного импульса, а также сложностью и высокой стоимостью самой силовой установки из-за применения водорода. Применение фтора в качестве окислителя, очевидно, не очень рационально, удельный импульс не более 5010 м/с (510 с). По химическим показателям (минимальные затраты энергии на связи в молекуле продуктов сгорания), очевидно, кислород с бе-

209

Таблица 5.2

риллием лучше, и удельный импульс при этом получается заметно выше 4815-5550 м/с (490-565 с). Необходимо тщательно подбирать окислитель. Целесообразно использование кислорода или смесей фтора с кислородом, обеспечивающих надежное самовоспламенение даже в условиях космоса с такими горючими, как бор, бериллий, углерод, ДМГ и др. Следует обратить особое внимание на высокое значение объемного удельного импульса тяги во всех приведенных композициях, кроме кислорода с водородом и добавкой гидрида бериллия, где влияние водорода весьма велико. Показанное в табл. 5.2 увеличение удельного импульса тяги ТСРТ за счет добавки водорода обеспечивается сравнительно небольшим его количеством - около 20-30%. В то же время, добавка такого количества водорода существенно снижает температуру в камере двигателя. Так, по данным США, при сжигании чистого смешанного топлива на основе кислород - бериллий, температура в камере достигает примерно 4500 К, а с добавкой около 25% водорода температура в камере устанавливается в пределах около 2500 К. [55].

Следовательно, можно сделать заключение, что достоинст-вом ТСРТ является снижение ими температуры в камере двига-теля.

К сожалению, добавка водорода в топливо с кислородным окислителем всегда приводит к увеличению габаритов двига-тельной установки, как это было показано на примере с двига-телем «Аполлон» в разделе о смешанном топливе [60, 62].

5.4. СМЕШАННОЕ МНОГОКОМПОНЕНТНОЕ

ТОПЛИВО (СМТ)

Высокоэнергетическим смешанным многокомпонентным называется топливо, состоящее из твердотопливной композиции с добавкой жидкого водорода (по терминологии США - квазигибридное топливо). Двигатель, использующий этот вид топлива, должен иметь камеру, в которую заложен заряд твердого

210

топлива, являющегося основным топливом, и в эту же камеру подводится жидкий водород с помощью обычной для ЖРД системы питания. Обычный двигатель твердого топлива усложняется за счет установки бака, насоса и системы питания для жидкого водорода. Жидкий водород, нагреваясь в камере сгорания, используется как рабочее тело, при этом возрастает скорость истечения продуктов реакции и снижается температура горения в камере. Снижение температуры в камере позволяет вводить в состав основного твердого топлива различные присадки, повышающие его температуру горения. Но при этом, как (показывают опыты с СМТ, лучшие результаты дают такие приладки, как бериллий, которые не только увеличивают температуру горения твердого топлива, но и обеспечивают высокое газообразование. Известно, что добавки алюминия в твердое топливо всегда увеличивают температуру горения, но алюминий обладает очень низким газообразованием (всего 220 л/кг топлива), поэтому добавка его к СМТ не повышает его удельного импульса тяги [60, 64].

В то же время, добавка водорода резко увеличивает удельный импульс и ставит СМТ в один ряд с кислородводородным топливом по массовому удельному импульсу тяги, а по объемному - они превосходят стандартные топлива в 2,5-3 раза.

Точно так же добавка бериллия позволяет значительно уве-личить удельный импульс твердого ракетного топлива и даже февзойти средние показатели СРТ при сравнительно несложных конструктивных изменениях в устройстве двигателя.

Ниже приводятся основные показатели смешанного много компонентного топлива при стехиометрических соотношениях горючего и окислителя (табл. 5.3) [64].

Таблица 5.3

5.5. СПЕЦИАЛЬНЫЕ КОЛЛОИДНЫЕ ТОПЛИВА

Коллоидные топлива представляют собой многокомпонентные многофазные гетерогенные системы, к ним относятся золи, гсли, эмульсии, взвеси, пасты. Эти виды топлива могут быть высокоэнергетическими, могут обладать и сравнительно небольшим энергетическим уровнем. Для этих топлив большое значение имеет тиксотропность, т. е. способность под влиянием внешних условий изменять свое фазовое состояние, например, под влиянием внешнего давления переходить из твердого в жидкое

211

состояние или наоборот. Свойство тиксотропности очень важно для современных топлив ракетных и самолетных силовых установок, особенно для последних.

Данные США, основанные на опыте войны во Вьетнаме, сви-детельствуют, что около 18% самолетов и 65% вертолетов, совершающих вынужденную посадку, гибнет от пожара [60, 67].

Основная причина возникающих пожаров это разлив, испарение и воспламенение жидкого горючего в момент неудачного приземления аппаратов. Подобные ситуации в авиации и ракетной технике могут возникнуть и вне военных условий. Применение тиксотропного топлива дает возможность исключить указанные аварийные ситуации, возникающие при разрыве стенок баков и трубопроводов питательных систем аппаратов.

Тиксотропность достигается несколькими путями, например, впрыском в топливный бак в момент аварийной ситуации специальных желатинизаторов, которые переводят жидкое топливо в желеобразное состояние. Можно заранее приготовить топливо, которое находится в жидком состоянии и переходит в желеобразное или почти твердое в течение нескольких секунд при повышении или понижении давления в баке, или при изменении температуры. Загустевшее топливо в момент разрыва стенок ба-ка, при ударе аппарата о землю не разливается, не испаряется и не может воспламениться от случайно возникшей искры.

Явление тиксотропности предусматривает и обратный процесс перехода загущенного или отвердевшего топлива в жидкое состояние под воздействием внешних условий - изменения давления или температуры. Обратный процесс иногда называется пептизацией.

Использование коллоидных систем, в частности эмульсионных компонентов топлива, позволяет решить задачу повышения энергетического уровня топлива за счет введения в жидкофазное топливо твердых компонентов во взвешенном состоянии. Например, создание взвеси мелко измельченного металла в ор-ганическом горючем позволяет поднять его калорийность, увеличить температуру в камере и, таким образом, удельный импульс такого топлива.

Классификация коллоидных систем

Коллоидная система - это переходная форма от грубодисперсной двухфазной или многофазной системы типа взвеси к собственному раствору - жидкофазной среде [6, 26, 21].

Коллоидная система - это гетерогенная система, состоит из дисперсной фазы и дисперсионной среды. В зависимости от того, что представляет собой дисперсная фаза или среда, меняется и представление о содержании и структуре данной коллоидной системы.

Характеристики

Список файлов книги