Сарнер С. - Химия ракетных топлив (1049261), страница 82
Текст из файла (страница 82)
Коэффициент полноты давления (полноты сгорания) равен шо(, р (озчер) то р (теор) Коэффициент удельной тяги определяют для двух основных расчетных случаев (0=0 и 15'). В каждом случае вычисляют теоретическую удельную тягу по условиям огневого испытания двигателя (давление в камере сгорания, геометрическая степень расширения и давление окружающей среды)'>. Для сопла с полууглом раствора 0 теоретическая удельная тяга определяется выражением Р) ( еор, 3) Л)о) (ресч) + (Ре Ра) ' (11 21) шло ' где Р((раоч) — теоретическая удельная тяга при расчетном ре- жиме работы сопла (т.
е. при Р,=р,) и 0=0', Л = — (1 + сок 0). 1 2 (11.22) Коэффициент удельной тяги равен ) ' )ОО)о 'Р,о Р ((теор, 8) (11.23) ') Погрешность таких методов вычисления скорости истечения, а следовательно, удельной тяги и других параметров достигает иногда нескольких процентов даже при применении значения у, определенного для конкретного случая. Такая погрешность во многих случаях недопустима. Поэтому указанное уравнение адиабаты можно испольэовать лишь при небольшом изменении искомых параметров.
Следует отметить, что Сарнер определяет у как отношение удельных теплоемкостей (см. стр, БО), что недопустимо. — Прим. Род. е) Дальнейший текст этого раздела сокращен. — Прим. Род. 43О Н. МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ТОПЛИВ Действительную удельную тягу можно определить либо по формуле ') ~ ( (Р =70,3) — ТР( (Π— )М) ' 'и( (теор. Реви) (11.24) где Р((теор рава) теоретическая равновесная удельная тяга при давлении в камере сгорания 70,3 ата и в выходном сечении сопла 1 атм при расчетном режиме работы сопла, либо по фор- муле г»1 3 ~( (рс=теэ) — '(7Р((Э О )сз((теаэ. Рввв) ° (11.25) По уравнению (11.24) действительная удельная тяга приводится к давлению в камере сгорания 70,3 ага и полууглу раствора сопла 0', а по уравнению (11.25) — к давлению в камере сгорания 70,3 ага и полууглу раствора сопла 15', или к величине, которая фактически определяется при идеальных условиях'). 11.25.
ВРЕМЯ ПРЕБЫВАНИЯ Одним из основных параметров, влияющих на полноту сгорания топлива, является время пребывания продуктов сгорания в камере сгорания. Большее время пребывания приводит к большей степени равновесности продуктов в камере сгорания и, следовательно, к большей полноте сгорания. Время пребывания равно (11.26) где ш,— мгновенный вес продуктов сгорания в камере сгорания. Предполагая, что продукты сгорания подчиняются закону идеального газа, находим ') Рс~«Мс (11.27) )77сот ') При расчетах по формулам (11.23) — (11.25) предполагается, что экспериментальный двигатель имеет полуугол раствора сопла 15', при этом получаемую удельную тягу условно относят к некоторым «стандартным» камерам двигателей Однако на практике часто необходим пересчет применительно к условиям натурного двигателя, отличного от «стандартного». — Прим.
ред. э) Излагаемая методика определения действительной удельной тяги недостаточно корректна. Для получения более строгих характеристик необходимо либо регламентировать конфигурацию сопла экспериментального ракетного двигателя, и, в частности, полуугол раствора сопла, его геометрические размеры и т, д., либо вводить соответствуюшие поправки при обработке результатов испытаний.
— Прим. ред. е' Уравнение (11.27) является условным, так как в действительности температура и молекулярный вес продуктов в камере сгорания изменяются по мере протекания рабочего процесса в ней. — Прим. ред. 11. МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ТОПЛИВ 431 Это уравнение обычно применяется для вычисления времени пребывания продуктов сгорания в камере сгорания испытываемых двигателей с использованием теоретических данных.
Время пребывания можно выразить через другие параметры. По определению, удельный импульс давления равен РсА1 Р (11.28) Комбинируя эти два уравнения, получим тис'р т с сс Тс Ат Для данного топлива значения Т, н 1Р немного увеличиваются с возрастанием давления, а значение М, немного уменьшается, поэтому первый член этого уравнения — относительно постоянная величина. Второй член называется характеристической длиной камеры сгорания и обозначается через Ь*.
В случае твердого топлива при заданной площади поверхности горения топлива критическое сечение сопла определяет давление продуктов сгорания в камере сгорания (11.30) Поэтому 1." и 1„для данного двигателя также зависят от этого давления (11.31) тттс Ас ' где К вЂ” относительно постоянная величина. Для эффективного сгорания крупных частиц требуется большее время пребывания, чем для мелких, так как для полного сгорания крупных частиц нужно больше времени.
Следовательно, время пребывания, необходимое для полного сгорания, по-видимому, является функцией радиуса частиц и скорости их горения, причем первый параметр более важен. Относительное время пребывания определяется как ~отн = ЧГО (11.32) где Гю — радиус частицы. Можно ввести понятие приведенного радиуса, разделив радиус частицы на скорость горения. Используя приведенный радиус вместо радиуса частицы, получим выражение приведенного времени пребывания (11.33) Снрнеет Установлено, что анализ с учетом времени пребывания объясняет причину недостаточной полноты сгорания при многих 432 огневых испытаниях.
Из анализа графика зависимости коэффициента удельной тяги от приведенного времени пребывания (фиг. 11.11) следует, что для достижения высокой полноты сгорания необходимо, чтобы приведенное время пребывания было более некоторого минимального значения. Влияние скорости горения невелико, и им можно пренебречь. Аналогичные резуль- м гз й 'Я и Ъ, 50 Ь Ь 2 85 0 М га .и гр та за М празереааае фелга пгабмбаааа гг га1 Фиг.
11.!1. Зависимость коэффициента удельной тяги от приведенного вре- мени пребывании. таты получены при использовании относительного времени пребывания. Если размер частиц не является определяющим фактором, то можно использовать просто время пребывания. 11.26. ГОРЕНИЕ МЕТАЛЛОВ Присутствие металлов или их соединений в ракетных топливах оказывает заметное влияние на реализуемую удельную тягу. Во-первых, продукты сгорания металлов обычно содержат конденсированные фазы, что приводит к уменьшению общего копичества расширяющегося рабочего тела.
Во-вторых, конденсированные фазы вызывают дополнительные потери характеристик топлив вследствие их неспособности сохранять тепловое и скоростное равновесие с газообразной фазой (см. гл. 6). П. МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ТОПЛИВ 488 В-третьих, воспламенение и горение металлов является более сложным процессом, чем воспламенение и горение топлив, не содержащих металлов, что может привести к неполноте сгорания. Последней проблеме посвящено немало обширных исследований, предпринятых с целью выяснения механизма горения металлов для получения максимального коэффициента удельной тяги. Глассмен [22] сформулировал основные гипотезы, относящиеся к природе процесса горения металлов. В основном в них утверждается, что температура пламени определяется температурой кипения или разложения окисла металла, что излучение играет важную роль в процессе горения металлов, что механизмы воспламенения и горения не обязательно одинаковы и что горение металлов происходит в паровой фазе, если температура кипения окисла выше температуры кипения металла, если же, наоборот, температура кипения металла выше температуры кипения окисла, то горение металлов является поверхностным процессом.
Эти гипотезы изложены в статье, помещенной в сборнике под редакцией Саммерфилда [43]'). Первая гипотеза очевидна, когда теплота испарения или диссоциации сравнима с теплотой, выделяющейся в системе, и при горении температура продуктов сгорания большинства металлов, включая магний, литий, бериллий, цирконий и алюминий, ограничена температурой испарения и разложения окислов. Влияние излучения является следствием высоких температур горения и высокой излучательиой способности конденсированных фаз.
Потенциальное различие механизмов горения и воспламенения обусловлено тем, что горение является установившимся процессом, а воспламенение — переходным. Последняя гипотеза — самая решающая. Гордон [43] показал, что поверхностное горение протекает намного медленнее, чем горение в паровой фазе, и, следовательно, можно ожидать, что оно не будет завершено в короткий промежуток времени пребывания топлива в камере сгорания ракетного двигателя. Фейсел и др., Вуд и Гордон [43] показали, что эта гипотеза является необходимым, но недостаточным условием горения в паровой фазе. Работы Коффина [11] и Талли [43] также подтверждают гипотезу Глассмена.
Гордон [43] классифицирует процессы горения некоторых металлов в соответствии с летучестью металла и образовавшегося окисла. Используя эту гипотезу применительно к некоторым металлам, можно заранее предсказать, что алюминий, магний, литий, натрий, калий, кальций и бериллий будут гореть в паровой фазе, в то время как о Сзс также [481. — Прии. ред.
28 Заказ м аи 434 и методы экспгримвнтлльного исследования топлив горение бора, кремния, титана и циркония будет поверхностным процессом '!. Легкость воспламенения также влияет на полноту сгорания. Алюминий легко воспламеняется при высоких концентрациях и с трудом — при низких.
Бериллий с трудом воспламеняется при любых концентрациях; при высоких температурах воспламенение облегчается ]48]. Влияние поверхностного окисления наиболее существенно при горении бериллия. Из этого следует, что полнота сгорания алюминизированных топлив будет худшей при малых концентрациях алюминия и что полнота сгорания топлив с бериллием будет в целом низкой. Оба положения подтверждены экспериментально.
Фейсел ]43] предполагает увеличить скорость воспламенения и горения путем сплавления или смещения рассматриваемого металла с более летучим металлом, благодаря чему увеличится полнота сгорания. Эти положения относятся к горению металлов в кислороде или кислородсодержащих окнслителях. Механизмы горения при использовании других окислнтельных элементов могут отличаться от механизмов горения в кислородсодержащих окислителях. Однако исследования горения в других окислительных элементах только начинаются. При исследовании горения бора во фторе Хендерсон и др. ]48, 49] обнаружили поверхностное горение, но эта реакция протекает гораздо интенсивней, чем с кислородом. Можно ожидать, что горение большинства металлов во фторе будет более эффективным, чем горение в кислороде.
ЛИТЕРАТУРА !. Агоепсап бос!е!у 1ог Тев(!пя Ма1епа1в, Е20-5!Т (1951). 2. Агпепсап бос!е1у 1ог Тевг1пи Ма1епа!в, Е-161-60Т (1960). 3. А п д г е а в е п А. Н. М, 7(о!!о!д Ве!Ае)(е, 27, 349 (1928) . 4. Вгипапег 8., Епгпге11 Р. Н., Те!!ег Е., А Ат. Сленг. Вос., 60, 309 (1938). 5. С а г р е п 1 е г Р. Сг., ГГ е ! ! х 'т'. й, А )7ез. )тай Виг. ВЫ., 47, 139 (1951) . б, Ч е н г, Ко з н, Ракетная техника и космонавтика, № 2, 84 (1965). 7. СЛечепа гд Р., ЦГ асье Х., В е Еа Тп!!ауе Ц., Вип. Яос. Сй!аг. Ргансе, !О, 41 (1944). 8. С и п л а ч, Ракетная техника, № !1, 127 (1961).
9. С ! е р 1 и с Л С. С., Хапопа! Аегопапнсв апб Брасе Адпип!в(гацоп Теснп1- са! Хо1е !7-1559, 1962. !О. С ! е р1п с Л С. С., Ха1гопа! Аегопаипсв апб Ярасе Адпг!п!в(га(!оп ТесЛп1- са! Хо(е (1-2167, !963 11. С о11! п К. Р., Хацопа! Абмвогу Сопнпп1ее 1ог Аегопаннсв Тесьп!са! Хо1е 3332, 1954 'г Более подробная классификания металлов по механизмам горения приведена в статье Бржустовского и Глассмена, помон!синей в сборнике (48).— Прим ред.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
