Штехер М. С. - Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1043408), страница 40

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

Текст из файла (страница 40)

212

Коллоидные системы, истинные растворы и грубодисперсные системы различаются размерами частиц дисперсной фазы, т. е. степенью дисперсности, или просто дисперсностью.

Степень дисперсности является величиной, обратной среднему диаметру (D) или радиусу частиц (r) C_g = 1/2r.

По степени дисперсности различают:

1. Истинные растворы, D>10⁹ м^-1 или r<0,001 мкм (один микрометр — одна миллионная часть метра).

2. Коллоидный раствор, D=10⁷...10⁹ м^-1, r=0,001....0,1 мкм.

3. Высокодисперсные системы (суспензии и эмульсии), D<10⁷ м^-1, г>0,1 мкм.

4. Грубодисперсные системы (взвеси), D>1 мкм. Кроме того, дисперсные системы различаются по агрегатному состоянию дисперсионной среды и дисперсной фазы:

1. Дисперсионная среда - газ, дисперсная фаза - жидкость,, система называется туман.

2. Дисперсионная среда - газ, дисперсная фаза твердая; система называется дым или пыль.

3. Дисперсионная среда - жидкость, дисперсная фаза - газ; система называется пена.

4. Дисперсионная среда - жидкость, дисперсная фаза - жидкость; система называется эмульсия.

5. Дисперсионная среда - жидкость, дисперсная фаза - твердая; система называется золь или суспензия.

6. Дисперсионная среда твердая, дисперсная фаза — газ; система называется твердая пена, например пемза, туф.

7. Дисперсионная среда твердая, дисперсная фаза - жидкость или твердая; это будут системы с жидким или твердым включением.

Система «газ в газе» являются однофазными, не свойственными жидкому топливу, и поэтому нами не рассматриваются.

Системы с газообразной дисперсионной средой называют аэрозолями, если дисперсионная среда - вода,- гидрозолями. Если дисперсионная среда является органической жидкостью, система называется органозолем.

Вообще коллоидные системы, в которых дисперсионная среда - жидкость, а дисперсная фаза - твердое вещество, называют золями. Золи подразделяются на лиофобные (гидрофобные) и лиофильные (гидрофильные). Лиофобными золями называют такие, в которых взаимодействие (сольватация, гидротация) между дисперсной фазой и дисперсионной средой очень мало. Наоборот, в лиофильных золях это взаимодейстие выражено сильно. В этих системах выделяющиеся из раствора коллоидные частицы могут увлекать с собой значительные количества растворителя и образовывать структурированные студени-стые системы, называемые гелями.

213.

Строение геля представляет собой тонкую трехмерную сетку

(каркас), образованную дисперсной фазой, а поры этого карка-са заполнены дисперсионной средой.

В зависимости от строения частиц, характера и прочности связей различают эластичные и неэластичные гели. Неэластичные гели, их чаще называют студнями, хорошо впитывают любую смачивающую жидкость. Эластичные гели поглощают только жидкости, сходные с ними по химическому составу, и при этом сильно набухают - увеличиваются в объеме.

В процессе хранения гель может терять часть дисперсионной среды в результате ее испарения, это приводит к усыханию геля и сокращению его объема. Некоторые гели обладают свойствами тиксотропности, т. е. обратимой фазоизменяемостью.

Это свойство проявляется при изменении давления, температуры, механического воздействия, например, встряхивания, взбалтывания, и изменении других физических условий.

Тиксотропность можно вызвать действием электролитов или добавкой специальных присадок — желатинизаторов, причем в

очень небольших количествах. Желатинирующие присадки к компонентам топлива не должны отрицательно сказываться на энергетических свойствах топлива.

Большинство лиофильных золей и некоторые лиофобные золи в определенных условиях приобретают способность желатинизироваться, т. е. превращаться в студнеобразные массы -гели. Процесс желатинирования является одним из видов коагуляции. От обычной коагуляции - свертывания, сгущения, он отличается тем, что вся масса коллоида переходит в своеобразное полужидкое состояние без образования осадка. Обладая свойством тиксотропности, в определенных условиях желатинированное или коагулированное золе- или гелеобразное топливо должно превращаться в жидкость.

Современное золе- и гелеобразное высокоэнергетическое ракетное топливо по мнению иностранных специалистов

Преимущества

В случаях неудачных стартов ракетных систем часто возникает пожар [58, 60, 67].

Использование топлив, способных коагулировать или желатинироваться в баках в условиях аварийных ситуаций, значительно сокращает опасность возникновения пожара. При этом в бак вводится небольшое количество желатинирующегося геля и почти мгновенно изменяется состояние жидкого топлива, которое коагулирует или желатинируется от состояния «густых сливок» до «состояния твердого топлива» [67].

В этом и заключается главное достоинство тиксотропных золе- и гелеобразных топлив.

214

Вторым, очень важным свойством этих топлив является их способность хорошо сохраняться, а также их высокая пожаробезопасность. Это связано с тем, что золеобразное топливо (особенно криогенное) имеет меньшую испаряемость по сравнению с жидким.

По данным США, кислородное желе (гель) может сохраняться при температуре сухого льда в течение недели. Перевод топлива в гелеобразное состояние обеспечивает также сохранение фракционного состава для сложных и легкоиспаряющихся компонентов [58, 62].

Водородные гели характеризуются уменьшением проницаемости конструкционных материалов, и особенно сварных швов.

Значительно улучшаются условия многолетнего хранения твердого ракетного топлива, находящегося в состоянии твердого геля и обладающего тиксотропностью. В этом случае образование трещин в процессе хранения или транспортировки не является условием для отбраковки зарядов. Используя условия тикготропности, заряд после хранения и транспортировки переводят в полужидкое или желеобразное состояние, когда трещины исчезнут, он коагулирует до нормального твердого состояния и используется по назначению.

За счет коагуляции топливных компонентов возможно увеличение плотности, как показывают расчеты, в пять раз по отношению к кислородводородному топливу и в 2 раза по отношению к жидким топливам типа азотного тетраксида НДМГ [58].

Для топлив, использующихся на верхних ступенях ракетных систем, коагуляция жидких компонентов может позволить несколько уменьшить прочность стенок баков, так как коагулированное топливо при движении ракеты создает давление толькона днище бака, тогда как жидкое давит и на стенки.

Для многоразовых и космических ракетных систем использование коагулированных топлив позволяет улучшить баллистические свойства системы. Для топлив в гелеобразном состоянии исключается перетекание или растекание жидкости по всему объему бака. Топливо коагулирует в условиях, отвечающих наилучшей центровке аппарата, центровка почти не нарушается при маневрировании и сохраняется при небольших расходах компонента.

При золе- и гелеобразном состоянии топлива почти исключается влияние невесомости на заполнение бака, на образование газовых пузырей, на готовность и заполнение системы питания к повторным запускам в условиях космоса.

Наконец, необходимо отметить, что в условиях космоса для тиксотропных и коагулирующих компонентов топлива возможен подбор наилучших значений теплопроводности и теплоемкости заряда. Последнее обстоятельство особенно ценно для систем многоразового действия потому, что, правильно используя свойства тиксотропности или коагуляции, можно удовлетворительна

215

решить задачу распределения тегыовых потоков, идущих от двигательной установки, в объеме космического корабля [58, 60]. Как видно, топливо в виде тиксотропного золя или геля обладает целым рядом преимуществ.

Недостатки

При использовании желатинирующихся топлив усложняется и дорожает система топливных баков за счет емкостей для же-латинизатора и впрыскивающих приспособлений. Для освобождения емкостей от желатинированного или коагулированного компонента необходима тиксотропность и выполнение ее условий. Нормальные стандартные системы питания и смесеобразования двигательных установок не обеспечивают стабильность топлива при использовании компонентов топлива в состоянии золя или геля. Необходима специальная конструктивная разработка систем питания.

Перекачка желатинированных компонентов стандартными турбонасосными агрегатами невозможна. Требуется заметное увеличение мощности и размеров агрегата или соблюдение тиксотропности.

Иногда имеет место увеличение стоимости (до 3-7%) желатинированных или находящихся в состоянии золя или геля компонентов топлива. Часто желатинированное топливо стоит дешевле, чем чистый жидкий продукт, так как по условиям производства иногда золеобразное состояние является промежуточной фазой и продукт используется в этом случае как бы в полусыром виде, это стоит дешевле окончательной обработки.

Удорожание наземного аэродромного или стартового оборудования, испытательных или пусковых стендов, складского хозяйства, вызванное изменением их рабочих параметров при использовании желатинированных компонентов или золей - ге-лей, оценивается в 5-10% [58, 67].

Необходимость постановки и расширения новых научноис-следовательских работ по довольно большому кругу проблем вызывает новые затраты.

Известен ряд направлений, по которым в современных условиях необходимо развернуть исследования.

1. Подбор и составление рецептуры желатинизаторов или присадок и определение условий тиксотропности.

2. Определение условий и места желатинизации ряда компонентов, которую можно проводить на заводе при производстве топлива, на старте силовых систем или на складе в процессе хранения.

3. Оценка влияния желатинизаторов на рабочий процесс и характеристики двигателей.

4. Влияние на устойчивость процессов сгорания.

:21б

5. Оценка физико-химических свойств и технико-эксплуатационных показателей топлив, находящихся в состоянии золя -геля, желатинизирующихся и обеспечивающих тиксотропность.

Вероятные схемы двигателей

Золе- и гелеобразное желатинированное топливо отличается по физико-химическим свойствам от обычного жидкого, и поэтому возникает вопрос, на каких типах двигателей возможно использование этого топлива, можно ли использовать обычные существующие схемы или требуется специальная конструктивная разработка новых форм и схем двигателей. Коллоидные системы топлива только начинают внедряться в практику, и ряд специальных вопросов еще не разрешен и не исследован даже в общем виде.

Желатинизирующееся топливо по физическим свойствам до желатинизации почти или совсем не отличается от обычного жидкого. Топливо в форме золей, гелей или эмульсий может заметно отличаться от жидкости, а в случае тиксотропности может иметь жидкофазную структуру. Следовательно, схема двигателя должна подбираться в каждом частном случае. Для же-латинизирующихся жидких топлив с обычными пределами плотности и вязкости компонентов могут быть использованы стандартные системы с газобаллонной подачей и с ТНА. Эти же схемы могут использоваться для топлив типа золей, гелей и взвесей, если их вязкость не намного отличается от стандартных жидких топлив, но в этом случае, очевидно, системы питания должны быть пересмотрены для конкретных условий с учетом вязкости и плотности компонентов. Топлива типа золей и гелей, сохраняющих заданную форму заряда, могут использоваться в схемах твердотопливных или двигателей СРТ.

Топлива концентрации каши или пасты требуют применения камер сгорания специальных форм и специальной системы подачи. Такие камеры и системы подачи существуют.

Современная рецептура присадок -желатинизаторов и коагуляторов

В настоящее время предложено и проверено на практике достаточно большое число различных присадок, обеспечивающих желатинизацию и коагуляцию компонентов топлива, перечень этот быстро увеличивается [67]. В качестве загустителей и желатинизаторов в органозолях целесообразно применять металлы. Наилучшие результаты показали алюминий, магний, литий, бериллий, бор и др. Они добавляются в количествах от 1 до 2% и как загустители от 30 до 40%.

Присадка металлов всегда дает увеличение плотности топ­лива и вязкости, повышение теплопроизводительности и темпе­ратуры горения в камере и удельного импульса тяги.

217

Силикагели, используемые как желатинизаторы, добавляются в пределах от 0,5 до 2,5%.

Характеристики

Список файлов книги