Сарнер С. - Химия ракетных топлив (1049261), страница 26
Текст из файла (страница 26)
Соотношение компонентов топлива, обеспечивающее максимальную удельную тягу, изменяется в зависимости от степени рекомбинации: если рекомбинации не происходит, требуется больше горючего (фиг. 5.1). Следовательно, чтобы получить максимальные характеристики рассматриваемого топлива, желательно иметь данные о кинетике рекомбинации. 5.2. ПРИБЛИЖЕННЫЙ МЕТОД БРЕЯ Брей [4~ нашел, что можно достаточно хорошо учесть степень завершенности реакции рекомбинации, если предположить, что до «точки замораживания» течение является равновесным, а за ней — замороженным. Это допущение вполне реально, так как в областях меньших скоростей потока время пребывания продуктов сгорания в сопле больше и степень рекомбинации больше.
При более высоких скоростях потока время пребывания слишком мало, чтобы могли произойти реакции рекомбинации п. Известен следующий критерий «точки замораживания»: Скорость изменения равновесного состава продуктов сгорания в сопле Скорость реакции рекомбинации Ве — критическая величина В. Если В)Ве, то потребная скорость реакции больше фактической и течение приближается к замороженному. Если Ве)В, то происходят реакции рекомбинации и течение приближается к равновесному. Брей нашел, что наилучшее совпадение с точным решением достигается при В'=1,6. Другие считают, что и Г!о мере движения продуктов сгорания вдоль сопла ракетного двигателя ик температура н плотность уменьшаются, что приводит к уменьшению скорости реакций рекомбинации Это также следует принимать во анима. ние — Пук»с дед.
З КИНЕТИКА РЕКОМБИНАЦИИ величина В' находится в пределах от 0,8 до 2,5. Браун [5] и Сар- нер [16] установили, что наилучшее совпадение с экспериментом можно получить, если в качестве сечения, в котором происходит замораживание, брать критическое сечение сопла. 5.3. ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕТИКИ СИСТЕМЫ С вЂ” Н вЂ” О Лезберг и Францискус [9, !О] измерили температуры продуктов сгорания в условиях прямоточных воздушно-реактивных двигателей, работающих на смесях водорода и метана с воздухом. Они выбрали константы скоростей реакции рекомбинации с третьим телом в прямом направлении, которые приведены в табл. 5.3. Известно, что бимолекулярные реакции протекают намного быстрее, чем реакции с третьим телом, и, кроме того, теплоты таких реакций значительно меньше.
Следовательно, можно пренебречь влиянием бимолекулярных реакций на параметры течения. Таблица б.а лениные Лезберга и Францискуса ио кинетике системы С вЂ” Н вЂ” О 19, 101 Константа скоростн реакции а кремом напранле~ нн, Гскп ольр сек-т Реакцнн рекомбннаннн с третьим телом Бнмолекулярные реакции с участием кислорода и водорода Н +ОН- Н О+Н Н+ Π— ОН+ О О+ Н вЂ” ОН+ Н ОН + ОН--Н, + О, ОН+ ОН- НзО+ О О +НяΠ— Ня + Оз Бимолекулярные реакции водяного газа СО+ ОН СОЕ+ Н ОН ч Но -- НзО + Н н+н+м н +м О+О+М=О,+М О+ Н+ М вЂ” "ОН ц. М ОН+Н+М-Н,О+М О+ Н+М вЂ” ХО + М Н+ Н -Ь М вЂ” » Хз+ М 8,0 1О'з1Т 4,8, 1Ога/Т 4,8 10'з(Т 7 8 .
1Огз1Т 8,4 1О'т1Т 1,8 1О'Я/Т 145 5 КИНЕТИКА РЕКОМБИНАЦИИ Бойнтон [3] обработал результаты измерений температур продуктов сгорания в выходном сечении сопла ракетного двигателя, работающего на топливе углеводородное горючее — кислород. Эти измерения были выполнены с точностью до 50'К с помощью приборов, работающих в инфракрасной области. Он использовал константы скоростей реакций, рекомендованные Лезбергом и Францискусом, а также Хоглундом и др. [7], и некоторые нижние предельные величины опубликованных констант скоростей. Данные Хоглунда и др.
приведены в табл. 5,4. Бойнтон вгпп „ гвпп ' гопп гппп 1ВПП г в 5 1гоопгнггциент соотиоиеиии компонентов топлчдо1окчслптгльусорюсее) Ф и г. 5 2. Кинетнка реакций рекомбинации системь1 углеводород— кислород. Сз ланныс хаглунла и лри О лвнные лезбергв и Фрвнцнскусв: ° нилине нреиельные величины внубликоввннык констант сиврастей реакций, ° эксие- ринетвльные данные нашел, что использование констант Лезберга и Францискуса гарантирует отличное совпадение с экспериментальными данными (фиг. 5.2). Симкин и Коппанг [17] исследовали подобную систему: продукты сгорания топлива 1з1гОа (окислитель) — смесь гчаНа + + (СНа)егч)к)Не (гоРючее) и полУчили аналогичные РезУльтаты.
Они также считают, что реакция окисления СО протекает быстрее, чем реакции с третьим телом, и, следовательно, не является лимитирующей. Предполагается, что окисление СО определяется реакциями водяного газа и поэтому кинетика систем С вЂ” Н вЂ” О и Н вЂ” О одинакова. 1О Заказ га 8!Р Ь КИНЕТИКА РЕКОМБИНАЦИИ Таблица 5.4 Данные Хоглунаа, Карлсона н Байрона по кинетике системы С вЂ” Н вЂ” О (7) Константа скорости реакции в прямом направлении Реакция 5.4. ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕТИКИ СИСТЕМЫ Н вЂ” Г Уайлд [20] исследовал топливо фтор — водород. Между результатами для замороженного н равновесного течений продуктов сгорания этого топлива существует значительное несоответствие.
Использованные Уайлдом константы скоростей реакций рекомбинации в прямом направлении представлены в табл. 5.5. На фиг. 5.3 сравниваются экспериментальные величины удельной тяги (нз которых исключены все потери, кроме потерь на неполноту рекомбинации) и расчетные для случаев равновесного и замороженного течений, а также вычисленные по приведенным константам скоростей реакций рекомбинации.
Экспериментальные Таблица 5.5 Данные Уайлла по кинетнке системы Н вЂ” Р(20) Коаффициенты константы скорости реакции О в прямом направлении Реакция А,. Е, пипл(мо.та 0 0 5,7 л гч,— епнг н+н+м н +м Н+ОН+М-Н,О+М Н+Н,О-ОН+Н, Н+О,-ОН+ О н,+о-он+н со+ он — со + н (1) Н+Г+М НР+М (2) Н + Н + Нт 2Нт (з) н+н+н н +н (4) Н + Н + НР Нт + НР (5) Р+Нт НР+Н 7,6 10аь (смь1моль)т сек-с 1,6 10~7 (смз1моль)т сек-а 1.10И е тепла'атома!моль сек 5 10аа е мело~а~ сма/моль.сек 3 10и е ьсоо'к~ сма(моль сек 5.10'т е пас'нс сма/моль сек 7,5 10'а 7,5 1018 5,0 10'Р 7,5 1О'а 5,0 10м а кинетихд рекомвиндции 147 данные хорошо согласуются с расчетными при составе топлива, близком к стехиометрическому (бе1о На), но при большем относительном содержании горючего расчетные значения ниже экспериментальных. Поэтому можно предположить, что значение константы скорости реакции (4) занижено. Константа скорости реакции (1) выбрана правильно, так как вблизи стехиометрической точки расчет хорошо согласуется с экспериментом.
Значения констант скоростей реакций (2) и (3), по-видимому, не являются «ва 460 и' че0 агв В и Я 400 Ц 000 и ~в гв тв тг и воэероегонпе Вагарога, Вес '.4 Ф и г. 5.3. Кинетина реакций рекомбинации системы фтор — водород. и — диаметр критического сечения сопла. заниженными, так как были взяты их верхние предельные значения.
Другой возможной причиной указанного несоответствия может быть образование НаР* в качестве промежуточного продукта реакции Н+ НР--Н,Ра Нер'+ М =' Н,Р + М, Н+Н,Р=Н +НР, что приводит к ускорению реакции рекомбинации Н вЂ” Н. Скорости этих реакций определить очень трудно. Их влияние можно учесть увеличением константы скорости реакции (4). Выбор значений констант скорости 10 йа или 100 й» не приводит 5 кииетикА Рекомвинации к существенному изменению величины расчетной удельной тяги; удельная тяга при значениях константы 10' й, или 10" й„практически совпадает с удельной тягой при равновесном течении; константа скорости реакции (4), равная 10' йь обеспечивает совпадение расчетной удельной тяги с экспериментальным ее значением.
5.5. ИССЛЕДОВАНИЯ КИНЕТИКИ СИСТЕМЫ К вЂ” О Разложение Х«ОА исследовано Кэррингтоном и Дэвидсоном [6), которые определили константу скорости этой. реакции йк, =- !О" в-"~с~'„,а],„,ль, „, Вегенер [19] и исследовал поведение системы Х вЂ” О в сверхзвуковом сопле и получил данные для реакции с третьим телом Хт+ 2!А(От Х, + ХоОИ по которым была определена константа скорости реакции ! !0" — 6 10м (сма/моль)' сек — '.
Это значение соответствует результатам Кэррингтона и Дэвидсона. Растоги и Пандуа [15] использовали эти данные при рассмотрении рекомбинации и нашли в соответствии с выводами Альтмана и Пенкера [2), что реакция является почти замороженной на входе в сопло, т. е.
подтвердили положение, что «точка замораживания» Брея расположена в области критического сечения сопла. 5.6. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ В настоящее время имеется достаточное количество данных по константам скоростей обычных химических реакций, так чтобы предпринять приближенное исследование кинетики реакций в сопле. В последнее время стало возможным измерять температуру и составы продуктов сгорания в ракетных двигателях, в результате чего появились дополнительные данные по кинетике реакций в таких условиях. Вполне вероятно, что скоро будет осуществлено более точное теоретическое исследование кинетики реакций многих систем с помошью вычислительных машин. Следует отметить, что условия протекания реакций рекомбинации в соплах ракетных двигателей отличаются от более простых условий, при которых обычно определяются величины констант скоростей, поэтому нельзя ожидать точных результатов.
Основной задачей в этой области является получение дополнительных н См также Вегенер, Вопросы рак«гнои техники, № 4, 3 (1363) Прим. род. з кинетикл некомгпницин данных по кинетике элементарных реакций, необходимых для дальнейшего усовершенствования теории рекомбинации. Исследование более сложных систем, например таких, в которых протекает несколько совместных реакций рекомбинации, систем с конденсированными фазами и догоранием топлива в сопле ракетного двигателя, пока еще невозможно. Приходится ограничиваться введением эмпирических поправок, но в дальнейшем, по-вндимому, будет возможно и аналитическое исследование.
ЛИТЕРАТУРА 1. Алым а н У(., Ка ртер У(ж. М., сб. «Процессы горения», под ред. Льюиса Б., Пиза Р. Н, Тейлора Х. С., Физматгиз, М, 1961. 2. А 11 т а п О., Р е п п е г 5. 5., У. Слеп». Раув., 17, 56 (1949). 3 Б о й итон Ф П, Ракетная техника и космонавтика, № 3, 2!! (!964). 4. Б р е й, сб перев.
«Газодинамика и теплообмен при наличии химических реакций», под ред. Мотулевича В П., Ионова В. П, ИЛ, М., !962, стр 488 5. В г охи п е %г. О, 1А5 Рарег 59 — 105 (1959). 6. Сагг!пи!оп Т, Оач)дзоп )Ч., У. Раук Сает, 57, 418 (1953). 7. Х о г л у н д, К а р л с о н, Б а й р о н, Ракетная техника и космонавтика, № 2, 44 (1963) 8 К у ш и д а Р., сб «Исследование ракетных двигателей на жидком топливе», под ред.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
