Штехер М. С. - Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1043408), страница 42

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

Текст из файла (страница 42)

Наиболее простыми и технически удобными являются третий и четвертый методы подачи жидкого металлоорганического хи-мического соединения или органозоля, но и при этих методах существуют трудности, которые будут рассмотрены в разделе, посвященном этим типам горючего. Для подачи жидкого метал-ла в виде расплава необходимо затратить большое количество тепла, при этом насосы, трубопроводы, регулирующая арматура должны быть выполнены из тугоплавких и дорогих металлов.

Применение подачи металлического горючего в виде расплава требует создания на самой ракетной установке или на стартовой площадке устройств для расплавления металла - специальной печи, что вызывает технические трудности и значительно увеличивает вес конструкции ракетной установки. Применение пылевидного металлического горючего кажется очень простым, но практически трудностей в этом случае еще больше, чем в первом случае. Пылевидное металлическое горючее можно получить, применяя так называемые коллоидные мельницы, которые дают измельчение металла до размеров частиц в 1 мкм.

Естественно, что эти системы нет надобности устанавливать на ракете и, таким образом, они не входят в состав ракетной ус-тановки, они только готовят компонент топлива - горючее. Здесь также есть ряд технических трудностей, но они разрешимы в современных условиях.

Главные и пока непреодолимые трудности возникают в системах подачи порошкообразного металла. Подача порошка металла должна производиться при давлениях, превышающих давления в камере сгорания, иначе металл туда не пойдет. В современных ракетных двигателях давление в камере измеряется в пределах от 70 до 200 кг/см², а при давлениях, даже самых малых, порошкообразный металл спрессовывается и не проходит в камеру. Применение различных технических методов, например шнековинтовой подачи, практического решения задачи не обеспечивает, так как не снимает высокого давления на металлический порошок.

222

Применение органозолей также приводит к ряду технических трудностей, которые в ряде случаев резко снижают эффект использования металлических горючих.

Органозоль состоит из механической смеси жидкого органического горючего, например керосина, солярового масла и других, и твердого порошкообразного горючего - металла. Металл измельчен до размеров 1-3 мкм и в жидком горючем находится во взвешенном состоянии, такие смеси часто называют суспензиями.

В органозоли недопустимо высокое содержание металла, который в противном случае начинает слипаться в комки, осаждается на дно сосуда под действием сил тяжести, в результате чего возникает неравномерность содержания металла в жидкости.

Загущения органозоля нарушают нормальную работу систем подачи, одновременно нарушается процесс горения топлива в камере из-за отклонений в составе смеси. Наконец, как показала практика применения органозолей, при одновременном горении в камере двигателя жидкого органика и металла надо учитывать их взаимное влияние. Обычно металл несколько подав-ляет горение органика, при этом нарушается соотношение состава смеси, двигатель дымит и не обеспечивает расчетных значений тяги.

Против слипаемости металлических частичек горючего в жидкой органической основе и против осаждаемости металла за счет сил тяготения также имеются противодействия, но они не достигают полного эффекта.

Наилучшие результаты дает снижение процентного содержания металла в жидкости, но это уменьшает общую теплопроизводительность системы и, следовательно, удельный импульс тяги.

Против слипаемости можно применять однополярность эле-ктрического заряда частиц металла, но заряд может стекать по стенкам баков и со временем эффект теряет силу.

Для снижения эффекта отстоя под действием сил тяжести можно использовать органические жидкости с большей вязкостью, чем у керосина, например соляровое масло. Однако, увеличение вязкости основного органика приведет к увеличению трения жидкости в процессе прокачки, что вызовет заметное повышение мощности насосного агрегата и его массы.

Чистые металлы как горючее РД

Основные показатели металлического горючего можно получить, рассматривая свойства некоторых металлов, наиболее часто используемых в качестве горючего (табл. 5.6).

Идеальная температура горения (Т_к.ид) отвечает расчетным значениям для стехиометрического состава. Необходимо отме-

223

Таблица 5.6

Примечание: Приведённые цифры округлены

тить очень высокие значения теплопроизводительности и очень низкие удельные импульсы тяги, совершенно несоответствующие указанным значениям теплопроизводительности. В данном случае расчет удельного импульса тяги по уравнению R_уд= = 9,33(H_u_c)^0,5 не согласуется с данными таблицы. Однако, если учесть тепло, затрачиваемое на сублимацию, испарение, плавление и другие «внутренние» потребности металлического горючего, значения тяги и теплопроизводительности, указанные в таблице, могут совпадать.

Указанные в таблице значения теплопроизводительности являются теоретическими, определенными по теплотам образования без учета теплоты плавления, кипения и испарения, которые необходимо принимать во внимание, если определять такие показатели двигателя, как удельный импульс. Количество теп-ла, необходимого на расплавление металла и доведение его до жидкофазного состояния будет тем выше, чем выше температура плавления. От температуры кипения и теплоемкости будет зависеть количество тепла, идущее на испарение металла. Чем выше эти показатели, тем меньшие значения будет иметь удельный импульс тяги и тем хуже данное горючее. На величину удельного импульса тяги влияет скорость истечения газов из сопла, которая зависит от величины газообразования. Газообра-зование, в свою очередь, зависит от продуктов реакции - важно, чтобы в их составе было больше низкомолекулярных веществ и почти не было легкоконденсирующихся окислов металла, которые могут осаждаться в виде твердого остатка на стенках сопла и этим значительно снижать скорость истечения и тягу.

Из табл. 5.6 видно, что наилучшие значения величины газообразования (V_газ) имеют бериллий, литий и магний, а наихудшие — алюминий и бор.

Анализируя другие показатели металлического горючего в табл. 5.6 необходимо отметить очень высокие температуры горения. Это расчетные температуры горения данного металла с кислородом при стехиометрических соотношениях горючего и окислителя (кислорода).

В условиях реального рабочего процесса двигателя с учетом всех возможных тепловых потерь температуры в камере будут значительно ниже указанных в таблице, но все же достаточно высокими. Из-за высоких температур горения невозможно удов-летворительное техническое решение задачи охлаждения двигателя, поэтому чистые металлические горючие пока не применяются.

Органозоли как горючее

Органозоли, или взвеси металлического порошка в органической жидкости, в качестве горючего предлагались для использования в ракетных двигателях рядом авторов почти во всех

225

странах. В СССР органозоли были предложены В. П. Глушко, широко испытаны и исследованы М. К- Тихонравовым. В качестве основной органической жидкости обычно используются керосин, лигроин или соляровое масло. Для специальных исследований часто применяется гексан или гептан - производные нефти, обладающие большей стабильностью, чем керосин. В качестве металлической добавки обычно используются алюминий, магний, литий и бериллий.

На рис. 5.5 приведены основные показатели топлива на основе гептан — металлического горючего (органозоля) с кислородным окислителем.

Из графиков видно, что с возрастанием процентного содержания металла в органозоле во всех случаях значительно возрастают теплопроизводительность и плотность топлива. Газообразование для алюминиевого и магниевого органозоля уменьшается с увеличением содержания металла.

Почти все исследователи органозолей как горючих отмечают, что с увеличением содержания металлические присадки подавляют сгорание углеводородной основы, оно становится ненормальным — двигатель дымит. Щелочные металлы, такие как натрий, калий и литий увеличивают ионизацию продуктов сгорания, что мешает нормальному радиоуправлению ракетой, для устранения этого требуется присадка хлора. При применении органозолей в качестве горючих остаются все трудности со стабилизацией золя — слипаемость и осаждение металлических, частиц за счет гравитационных сил, о чем уже говорилось выше.

Подбор оптимального процентного содержания металла в органозоли и соотношение окислителя и горючего в топливе должны проводиться на основе детального экспериментального исследования такого топлива в реальных условиях работы на двигателе.

Использование некоторых металлоорганических смесей рассматривается в разделе смешанных ракетных топлив.

226

5.8. ПОРОШКООБРАЗНОЕ ТОПЛИВО

Идея использования в ракетных установках порошкового топлива не нова. Она родилась в то время, когда были сделаны первые попытки применить металлы как наиболее теплопроизводительное горючее ракетных двигателей.

Порошковое, точнее пылевидное топливо, в теплотехнике, как известно, успешно применяется уже несколько десятилетий. Такое топливо очень дешево, просто в эксплуатации и высококалорийно. Но использование металлических порошков в ракетных двигателях связано с трудностями подачи порошка в камеру. В топку парового котла пылевидное топливо подается с помощью сжатого до 2-3 кгс/см² воздуха. Выход топливовоздушной взвеси осуществляется в среду меньшего давления, равного атмосферному. Перепад давления в этом случае невелик и топливные частицы не слипаются. В ракетном двигателе давление в камере находится в пределах от 70 до 200 кгс/см². В таких условиях невозможно осуществлять пневматическую подачу из-за очень большого расхода воздуха даже при незначительном перепаде между давлением подачи и давлением в камере. Кроме того, и это, пожалуй, самая главная причина, металлические порошки под большим давлением легко спрессовываются и снова превращаются в твердый металл.

Трудности подачи порошкового компонента в камеру сгорания и малое газообразование являются причиной того, что до сих пор высококалорийное металлическое горючее не используется в двигателях. Поиски путей повышения плотности топлив привели к использованию металлических порошков как энергетических присадок в твердых топливах, в желеобразных топливах - гелях и органозолях. Эти топлива, имея высокую плотность, обеспечивают и увеличение удельного импульса, но по условиям смесеобразования не обеспечивают постоянства  и , при хранении возможна деградация гелей - расслоение топлив в эмульсиях, а их текучесть существенно зависит от температуры. Поэтому этот вид топлива имеет пока ограниченные области применения [58, 67].

Между тем, применение металлических порошковых топлив может дать довольно значительные преимущества. Так, по сравнению с жидкими углеводородными горючими, можно увеличить дальность на 30-40%, а по сравнению с эмульсионными и гелеобразными - на 25-27%.

Характеристики

Список файлов книги