Сарнер С. - Химия ракетных топлив (1049261), страница 22
Текст из файла (страница 22)
125 е энеРГетические хАРАктеРистики РАкетных топлив При сгорании в кислороде более интенсивно образуются окислы бериллия и алюминия вследствие более высоких теплот сгорания с образованием этих продуктов и стабильности конденсированных окислов. В присутствии этих металлов водород обычно не окисляется, так как вода имеет малую термическую стабильность. При сгорании в смеси кислорода и фтора при коэффициенте избытка окислительных элементов более ! преимущественно происходит реакция со фтором. Некоторое отклонение от этого правила наблюдается в случае бериллия и алюминия вследствие высоких теплот образования и стабильности их окислов.
4.10. ВЫБОР РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ С ПРЕДЕЛЬНЫМИ ЗНАЧЕНИЯМИ УДЕЛЬНОЙ ТЯГИ Для обеспечения предельных значений удельной тяги топливо должно удовлетворять двум основным критериям. Энергетические характеристики топлива должны быть по возможности максимальными, а молекулярный вес продуктов сгорания по возможности минимальным.
Для обеспечения высоких энергетических характеристик горючее и окислитель ракетных топлив должны обладать высокой теплотой сгорания и термической стабильностью компонентов продуктов сгорания. Следовательно, поиски топлива с предельной удельной тягой ограничиваются двумя комбинациями. Максимальную теплоту сгорания обеспечивают бериллий в паре с кислородом, а самым термически стабильным продуктом сгорания является фторид лития, образующийся при горении фторлитиевых топлив. Для получения малого молекулярного веса продуктов сгорания они должны содержать значительное количество водорода.
Оптимальное сочетание высоких энергетических характеристик топлива и малого молекулярного веса продуктов его сгорания можно получить при использовании трехкомпонентных топлив. Топлива этого типа впервые предложены автором 15, 61 в 1958 г.; параметры трехкомпонентных топлив позднее опубликованы Гордоном и Ли 12]. На основании вышеприведенных соображений об удельной тяге находим, что оптимальные трехкомпоиентные топлива должны иметь такой состав, чтобы тепловая энергия выделялась за счет образования основного компонента продуктов сгорания. В двух указанных случаях основными компонентами продуктов сгорания являются окись бериллия и фторид лития.
Водород добавляется в качестве разбавителя в количестве, необходимом для получения топлива с максимальной удельной тягой. Отношение мольного содержания разбавителя 4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ 127 к мольному содержанию основного компонента продуктов сгорания определяется в виде Число молей Нт и— Число молей основного компонента продуктов сгорания Можно представить, что кислородводородные и фторводородные топлива при сгорании образуют основные компоненты продуктов сгорания Нг (г) или НаО (г), а разбавителем является избыточный водород. м 420 а Н 400 м ЗОО е й 3 ЗОО и Зио О с 2 з и б б 7 а нисло молеи и,) наело молей оснобного ллодунсаа сгооонил Ф и г. 4.28.
Трехкомпонентиые топлива Ве — Ое — Не и В1 — Рс — Нс. На фиг. 4.28 показано резкое увеличение удельной тяги при образовании окиси бериллия и фторида лития в качестве основных компонентов продуктов сгорания по сравнению со случаями образования соответствующих соединений водорода. Предельную удельную тягу (45? Оек) имеет трехкомпонентное топливо кислород — бериллий — водород. Это обусловлено большим тепловыделением при относительно невысокой температуре в камере сгорания, благодаря чему продукты сгорания имеют высокую стабильность.
Указанное топливо превосходит по удельной тяге кислородводородное топливо на 66 сек. Применение озона вместо кислорода привело бы к увеличению удельной тяги до 473 сек, 123 л. энергетические хАРАктеРистики РАкетных топлив т. е. еще на !6 сек, однако этот окислитель в настоящее время не используется. Трехкомпонентное топливо фтор — литий — водород имеет удельную тягу 436 сек, которая только на 24 сек выше, чем у фторводородного топлива ').
Характеристики остальных многокомпонентных топлив приведены в табл. 4.2!. Применение лития в кислородсодержащнх или бернллия во фторсодержащих топливах приводит лишь к небольшому увеличению удельной тяги. Добавление бора к кислородсодержащим топливам также дает лишь небольшой выигрыш в удельной тяге. Добавление бора к фторсодержащим топливам н алюминия к обоим типам топлив почти не улучшает удельной тяги. Таблииа 4.2! Трехкомпонеитные топлива с водородом или гелием в качестве разбавителей Топливо Рп сен Основной пролукт сгораннн ') Количество разбавнтсля нсазвсстно (ланныв взяты вз работы !2!). Смешанные литийбериллневые топлива имеют некоторые преимущества, если по каким-либо причинам необходимо использовать смешанные кислородфторные окислители, требующие со') Действительная разница удельных тяг трехкомпонентных топлив Оз — Ве — Нз и Рз — Ы вЂ” Н, меньше, так как в продуктах сгорания второго топлива содержится меньшее относительное количество конденсированной фазы и, следовательно, потери удельной тяги из-за отставания скорости и температуры конденсированной фазы от газообразной при прочих равных условиях будут меньше.
Меньшее количество конденсированной фазы обусловлено большим значением и в случае топлива Га — Ы вЂ” Нз и значительно большей летучестью основного продукта ЫГ Кроме того, намного легче осуществить подачу лития в камеру сгорания и обеспечить его полное сгорание во фторе. Эти трехкомпонентные топлива имеют малую плотность, что является их крупным недостатком — !Трам.
ред. Оз — Ве — Н2 02 — Ве — Нй о,— ы — н, о,— в-н, О,— А! — Н, Р2 — Ы вЂ” Нй à — Ве — Н Озду — Ве — )12 ОР2 — Ве — 1.! — Нй Рй — )-! — Не Гй — Н2 — Не 02 — Нй Г2 — Н2 ВеО Вео Ы20 нли ЫОН В202 или НВ02 А!20з 61Р Вера Вео+ Веря Вео+ ЫР 1.)Г НР но НГ 5,00 '1) 1) 1) 6,00 !) 4,70 5,10 1,50 0,79 0,98 0,66 473 457 405 402 392 436 416 445 441 404 412 391 412 4 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ 129 четания обоих металлов.
В этом случае полученная удельная тяга будет находиться в интервале между двумя указанными предельными удельными тягами. Рассмотрена возможностьприменения эндотермических окислителей ОГ2 и ОзГ2 (триоксидифторид), однако удельные тяги топлив на основе обоих этих окислителей имеют промежуточные значения между удельными тягами топлив 02 — Ве — Нз и Рз — ) 1 — Нз. Вместо водорода в качестве разбавителя можно использовать гелий. Топливо Гз — Нз — Не имеет чуть ббльшую максимальную удельную тягу, чем топливо Гз — Нз, но это преимущество не оправдывает применение гелия.
Удельная тяга топлива Рз — (.! — Не ниже, чем топлива Р2 — Нз. Однако применение гелия в некоторых топливах желательно вследствие его болыней плотности (в два раза большей, чем у водорода) и химической инертности. Таблица 4 22 трехкомпонентные топлива с гндразнном в качестве разбавнтеля Ро сек') ТОПЛИВО Основной пролунт сторания ') Количество разбввителя неизвестно )ланныс лля металлосолержащнл топлив взяты нз работы 120 ') Дымящая а отная ки лоте с максимальной плотностью.
Аналогичные результаты получаются при использовании в качестве разбавителя гидразина (табл. 4.22). Добавление бериллия к топливу 02 — )х)2Н4 приводит к увеличению удельной тяги на 27 сек, а добавление лития к топливу Гз — М2Н4 — лишь на 13 сек. Система с наибольшей удельной тягой Гз — (.1 — )х)2Н4 9 Заказ Я з)9 02 —. Ве — Н2Н4 О Л) )Ч~Н4 о — в — )ч н Р2 1") 112114 Ро — Ве — узна н о — вс — Нзн Н,О, А) — М2Н4 С)Рз — 1-) — МгН4 С Рз — Ве — М2Н4 )ч204 — Ве — нзна 54Г)ЛАК 2) — Ве — )чзн4 02 — )Ч2Н4 Р— Н Н Н202 — Н2Н4 С)Р, — Мзнй )4204 — НЗН4 М ПДЛ и 2) — Н2Н Вео А)20 Взоз или НВ02 МР Верз Вео А120т 1ЛР -;- 1.)С) Верз+ Вео'2 Вео Вео Н,О НР НО НР+ НС) Н20 НО 340 3!4 315 377 368 336 302 316 305 326 323 313 зз4 287 295 291 284 130 4.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ имеет удельную тягу 377 сек. Фактические преимущества малы, так как применение гидразина приводит к образованию разбавнтелей В)в (г) и Нт(г). Это топливо не только хуже фторводородного топлива (без добавок), но и фторлитиевого топлива (без до. бавок), так как топливо Рт — 1! при соотношении элементов, близком к стехиометрическому, имеет удельную тягу 378 сек. Реальное преимущество можно получить в случае долгохранимых жидких топлив при использовании добавок металлов.
Оптимальными топливами этого типа являются НтОй — Ве — МйН4 (удельная тяга 336 сек) и С!Рв — 1! — В(тН4 (удельная тяга 3!6 сек). Некоторые топлива, рассмотренные выше и в равд. 4.8, относятся к гибридным. Однако наличия указанных твердого н жидкого компонентов еще недостаточно для применения такой комбинации в качестве гибридного топлива. На практике в состав топлива необходимо включить полимерное горючее-связующее, которое будет скреплять другие твердые компоненты.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
