Сарнер С. - Химия ракетных топлив (1049261), страница 32
Текст из файла (страница 32)
РАКЕТНЫЕ ГОРЮЧИЕ 8.1. ВВЕДЕНИЕ Горючее ракетного топлива представляет собой по существу восстановитель, при окислении которого выделяется большое количество тепловой энергии и образуются газообразные вещества с малым молекулярным весом. Во многих случаях оба эти требования (выделение большого количества тепловой энергии и образование низкомолекулярных веществ) не выполняются при применении одного горючего, и поэтому используются комбинированные горючие. Так, например, металлы, которые часто образуют конденсированные продукты сгорания, в ряде случаев используются вместе с водородсодержащими горючими, образующими низкомолекулярное рабочее тело.
Характеристики топлив рассмотрены в гл. 4. Настоящая глава посвящена свойствам известных жидких и твердых горючих. 8.2. МЕТАЛЛЫ КАК ГОРЮЧИЕ Литий — мягкий металл серебристо-белого цвета. Из всех щелочных металлов он имеет наиболее высокие температуры плавления и кипения и наибольшую область существования в жидком состоянии. Благодаря последнему свойству литий считается особенно ценным металлическим теплоносителем, применяемым при охлаждении, поскольку его удельная теплоемкость также необычно высока. Таким образом, литий можно применять как жидкое горючее при условии, что имеется источник энергии для первоначального расплавления металла.
Металлический литий получают путем электролиза расплавленного хлорида лития или его раствора в органическом растворителе, поскольку при электролизе водного раствора образуется гидроокись лития. Реакции металлического лития протекают менее бурно, чем реакции других щелочных металлов, так как литий наименее электроположителен, но он все же весьма огнеопасен. Литий бурно реагирует с водой и кислотами с выделением газообразного водорода. Если литий не нагрет, то при действии воздуха пли кислорода он лишь тускнеет.
8. РАКЕТНЫЕ ГОРЮЧИЕ 179 Физические и термодинамические свойства лития, заимствованные в основном из работ [218, 2!9], фирмы «Литиум корпорейшн оф Америка» [144] и фирмы «Фут минерал» [79], приведены в табл. 8.1. Указанная температура плавления соответствует тройной точке. Поскольку металлический литий можно использовать в жидком состоянии, в табл. 8.2 указаны значения его коэффициентов теплопроводности [231] н вязкости [6, 176], а также плотности [144]. Таблица 8! Свойства некоторых металлов Ет А! Свойство Ве 91,22 1855 4474 6,49 0,067 4,89 136,4 6,94 180,5 1347 0,534 0,848 0,717 35,16 9,013 1283 2484 1,85 0,436 2,80 71,14 10,82 2027 3677 2,3) О, 261 121,3 24,32 650 1108 1,74 0,2 44 2,14 30, 56 26,98 659 2467 2,70 0,216 2,55 70,7 Молекулярный вес Температура плавления, 'С Температура кипения, С Плотность '), г/см' Удельная теплоемкость о, кол/г ° град Теплота плавления, ккал/моль Теплота испарения, ккал/моль !) Прн «амнатной температуре !28') н атмосферном давлении.
Остальные щелочные металлы ие особенно пригодны в качестве компонентов ракетных топлив вследствие их высокой реакционной способности и большого молекулярного веса. Исключение составляет цезий, который благодаря своему низкому потенциалу ионизации нашел применение в электростатических двигателях (см. гл.!2). Бериллий, как было указано в гл. 4, может быть полезен вследствие высокой теплоты сгорания. Бериллий — твердый, хрупкий, легкий металл серого цвета. Он широко применяется в ядерной технике, поскольку хорошо замедляет нейтроны, а также в металлургии как антиоксидант и как легирующая добавка для меди и медных сплавов.
') Основной бериллиевой рудой является берилл ВезА!2(81Оз)з. Берилл вскрывают, превращая его в двойной фторид бериллия и калия, который затем восстанавливают до металла путем электролиза или металлическим магнием. Металлический бериллий, как и литий, можно получать электролизом расплавленного хлорида, но для придания расплаву большей электропровод- ') Бериллий как ракетное горючее испытывался в виде суспензий; он используется в смесевых твердых ракетных топливах.
— Прим, ргд. 12в 8. РАКЕТНЫЕ ГОРЮЧИЕ 180 Таблица 8.2 Физические свойства лития Ковффипиеит теплопровоаности, нпл4см сел град Ковффипиент вввиости, мпв Температура, С Плотность, гасил Давление пара, ггм рт. ст. 0,17 0,534 О, 50? 0,109 0,100 0,490 0,089 0,073 0,474 0,457 0,441 ности в него необходимо добавлять некоторое количество ХаС1, так как соли бериллия обладают высокой ковалентностью. Бериллий довольно устойчив и не очень реакцнонноспособен. Основную опасность при работе с ним представляет токсичность бериллиевых соединений. Все простые соединения, например Вегз, ВеО, Ве(ОН)м Ве604, ВеС!2 и др., опасны, так как вызывают хроническую пневмонию (воспаление легких).
Минерал берилл, по-видимому, нетоксичен; токсичность свободного металла сомнительна. Эверест в работе [69) приводит меры по технике безопасности для бериллиевых заводов и лабораторий. Предельно допустимые концентрации бериллия в воздухе, установленные Комиссией по атомной энергии США и Американской ассоциацией промышленной гигиены ~36), составляют 2 миг/мз в среднем в течение рабочего дня, 26 мкг/м' при кратковременной работе и 0,01 мкг/мз в качестве среднемесячной дозы в атмосфере вблизи бериллиевого завода или лаборатории.
Возможно, что цифра 2 мне/лрз слишком занижена, но предельно допустимая концентрация 26 мкг/лаз установлена вполне надежно. 0 — 100 20 25 180,5 183 200 216 250 300 350 400 448 500 539 600 700 800 1000 1027 1052 1077 5,92 5,55 5,41 4,92 4,58 4,02 3,56 3,17 2,89 2,57 Ш-20 10 'о 1О н 1О 8 10 — 8 1О ' 10-4 1О з 10 2 0,06 0,49 2,82 41,0 54,0 70,5 91,0 8.
РАКЕТНЫЕ ГОРЮЧИЕ 181 Физические и термические свойства, приведенные в табл. 8.1, заимствованы в основном из работ [218, 2!9]. Коэффициент теплопроводности 0,385 кол/см сек град и давление пара, равное 5,0 мм рт. ст. при 1530', указаны в справочниках. и Другие физические и механические свойства приведены в работе [226). Магний находит небольшое применение в ракетных топливах, но его широко используют в воспламенителях и других пиротехнических устройствах, а также как легирующую добавку. Более тяжелые щелочноземельные металлы вообще не применяются в ракетных топливах, так как молекулярные веса продуктов сгорания были бы слишком высоки. Магний более реакционноспособен, чем бериллий; тонкий порошок магния огнеопасен, но на воздухе не самовоспламеняется. Металлический магний легко воспламеняется ниже температуры плавления [7!), поэтому его сгорание происходит в паровой фазе.
В табл. 8.! приведены данные, заимствованные из работ [218, 219]. Бор часто применялся в ракетных топливах, но он имеет недостатки, обусловленные низкой эффективностью горения. Помимо ракетных топлив, бор широко применяется в воспламенителях и для защиты от нейтронов. Бор встречается в важных месторождениях в виде борной кислоты или боратов. Получают этот элемент восстановлением В808 металлическим магнием, но степень чистоты обычно не превышает 95 — 988/,. Кристаллический бор исключительно инертен.
На него не действуют кипящие соляная (НС1) н плавиковая (Нг) кислоты. Тонкоизмельченный бор лишь медленно окисляется горячей концентрированной азотной кислотой Н)х)08. Именно слабой реакционной способностью бора можно объяснить невысокую эффективность горения. Все данные табл. 8.1, за исключением плотности, заимствованы из работ [218, 219]. Имеющиеся в литературе значения плотности бора изменяются от 2,3 до 2,6 г/см', причем более высокие значения обусловлены, вероятно, примесями боридов.
Алюминий широко применяется в твердых ракетных топливах, а также как легирующая добавка. Он встречается в виде минерала боксита — гидратированной окиси. Получают алюминий методом Холла, который состоит в растворении очищенной окиси алюминия в расплавленном криолите при 800 — 1000 и последующем электролизе. Алюминий — твердый, прочный металл серебристо-белого цвета с высоким окислительным " В втой главе значения температуры, для которых не указаны единицы измерения, приведены в градусах международной 100-градусной шкалы.— Прим. ред. 8.
РАКЕТНЫЕ ГОРЮЧИЕ 182 потенциалом, но устойчивый к окислению вследствие образования защитной окисной пленки. Этот металл нереакционноспособен, но в порошкообразном виде образует с воздухом воспламеняющиеся и взрывчатые смеси, поэтому его необходимо изолировать от источников искры. Данные, приведенные в табл.
8.1, заимствованы из работ [2!8, 2!9]. Согласно сообщениям, коэффициенты теплопроводности в интервале температур — !7,8— (+ 260'), измеренные через каждые 556', равны 0484, 0492, 0513, 0,550, 0,595 и 0,641 кал/см сек град. Цирконий может найти применение в ракетных топливах благодаря своей высокой плотности. Он встречается в виде минералов бадделента УГО8 и циркона ХГБ!Оь Извлекают его способом Кроля, разработанным для титана. Минералы вскрывают путем обработки углеродом и хлором при температуре красного каления. В результате получают тетрахлорид циркония УГС!ь который восстанавливают затем расплавленным металлическим магнием в атмосфере аргона при 800 . Сухой циркониевый порошок весьма реакционноспособен и имеет низкую температуру воспламенения (!80 — !95').
Он может воспламениться под действием тепла, статического электричества или просто трения, поэтому обычно его хранят в виде влажной пасты. Данные для циркония, приведенные в табл. 8.1, заимствованы из работ [2!8, 2!9], за исключением плотности, взятой из работы Аденстедта [2]. Металлы, используемые в ракетных топливах, относятся в основном ко второму периоду периодической системы элементов, и только некоторые из них в к третьему.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
