Сарнер С. - Химия ракетных топлив (1049261), страница 84
Текст из файла (страница 84)
(12.8) В этой схеме водород первоначально находится в ионнзованном состоянии и, кроме обычной энергии горения, выделяются энергии рекомбинации ионов и радикалов. В результате суммарная энергия в семь раз превосходит энергию горения. В действительности все топливо не может быть стабилизировано в некотором энергетическом состоянии. С точки зрения обеспечения оптимальных характеристик иногда это нежелательно делать, так как образующееся рабочее тело будет иметь слишком большой молекулярный вес.
Обычно в активированном состоянии находится лишь небольшая часть топлива, поэтому полезно определить величины удельной тяги, соответствующие различным уровням активации. Если концентрация свободных радикалов меньше !ООВ(В, можно использовать некоторые вещества в качестве разбавителей. В разд. 4.!О показано, что лучшими разбавителями являются водород или гелий вследствие их малых молекулярных весов. В табл. 12.2 приведены некоторые данные для топлив с добавками свободных радикалов и ионов.
Согласно этим данным, удельные тяги, достигаемые с применением указанных веществ, изменяются от величин, соответствующих обычным реакциям окисления-восстановления, до величин — 1000 сек, которые являются верхним пределом. 12.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВНУТРИЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ Предельной формой использования чисто тепловой энергии является ядерный двигатель. В этом типе двигателя источник энергии и рабочее тело полностью отделены друг от друга; реактор с расщеплением илн синтезом атомных ядер выделяет тепловую энергию, идущую на нагревание рабочего тела, которое затем расширяется и вытекает, создавая тягу.
Схемы типичных ядерного и термоядерного двигателей приведены на фиг. 12.1 и 12.2. Описание конструкции и работы реакторов выходит за рамки этой книги; однако важно знать ограничения, накладываемые на источник энергии. Особо важными являются два обстоя- 441 !2. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ДВИЖЕНИЯ тельства. Во-первых, получаемая температура не должна превышать температуру, которую могут выдержать имеющиеся материалы' !. Во-вторых, выделяемое тепло должно передаваться рабочему телу зй Ф и г. 12. !.
Схема термоядерного ракетного двигателя (с использованием синтеза ядер). ! — водород, дейтерий или тритий. у — параметры плазмы в ялрс питона НО''К и 100 ага), 3 — высокотемпературный возбудитель синтеза ядер Ф и г. !2.2. Схема ядерного ракетного двигателя (с исполь- зованием деления ядер) т — водород или аммиак, у — управляющие стержни, 3 — урановый реактор; 4 — насос Последнюю проблему можно разрешить двумя путями.
Например, использовать рабочее тело в качестве вещества для н При этом следует учитывать существующие способы охлаждения конструкции. — Прим. ред. я! дальнейшие материалы этого раздела в основном относятся к ядерным двигателям с твердофазной активной зоной. — Прим. ред. !Е ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ДВИЖЕНИЯ отвода тепла от реактора, но этот способ имеет два недостатка: ограниченная способность к поглощению тепла и увеличение вероятности выноса радиоактивных материалов с выхлопной струей. Применение таких охладителей, как водород, аммиак или вода, связано с утяжелением реакторов и двигателей, так как для этих веществ требуются большие теплообменные поверхности, чтобы поглощать тепло непосредственно от реактора.
Второй способ предусматривает использование для отвода тепла от реактора веществ с высоким коэффициентом теплоотдачи, например жидкого лития; затем тепло передается рабочему телу в отдельном теплообменнике. В этом случае реактор становится меньше по размерам, а двигатель более легким; однако возникают проблемы нагнетания и использования жидких металлов. Проблема материалов приводит к ограничению допустимой температуры нагрева рабочего тела, так как она определяется температурами, которые могут выдержать используемые материалы; однако благодаря непрерывному усовершенствованию материалов можно ожидать, что предел допустимых температур возрастет. Этот рост температуры сопровождается соответствующим улучшением характеристик топлив и двигателей. В табл. 12.3 приведены свойства материалов, которые могут быть использованы в реакторах ядерных двигателей.
Выбор рабочего тела осуществляется по методу, сходному с методом выбора химических топлив, за исключением того, что здесь не учитывается энергия горения. Первостепенную важность имеет молекулярный вес рабочего тела (см. табл. 4.1). В табл. 12.4 сравниваются характеристики четырех рабочих тел. Водород, очевидно, наиболее эффективен; он обеспечивает наибольшую величину удельной тяги, достижимую с помощью ядерных двигателей, но имеет малую плотность и должен храниться при очень низких температурах.
Такие же недостатки присущи гелию, который к тому же обеспечивает меньшие удельные тяги; кроме того, он является дорогостоящим и дефицитным продуктом. Вода характеризуется высокой плотностью и удобна с точки зрения хранения и эксплуатации; она дешева и имеется в больших количествах, но обеспечивает низкие удельные тяги. Несомненно она найдет некоторое применение в тех случаях, когда допустимы низкие характеристики. Аммиак по характеристикам приближается к гелию и имеет ббльшую плотность. Он не так дефицитен и хранится не при столь низких температурах. Возможно, он является более подходящим рабочим телом для ядерного ракетного двигателя, чем водород.
В табл. 12.5 сравниваются основные параметры ракет с ядерными двигателями, в кьгорых в качестве рабочего тела используются )Д ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ДВИЖЕНИЯ Таблица 12.3 Прочность на разрив при указанной температуре Темпера- Плот- тура ность '), а/сма Применение Матернал плавления, (кз) см') *) 3900 з) 1,75 3000 Тепловыделяющий элемент и зал)едли- тель 210 — 4 20 Графит, С 3670 19,1 3000 Вольфрам, )л)' Тепловыделяющий элемент 3000 То же 3000 1100 3440 3250 2860 2660 4170 280 †4 70 — 420 35 — 70 2100 м),5 16,6 10,2 8,6 7,8 Реннй, Ре Тантал, Та Молибден, Мо Ниобий, ЫЬ Карбид ниобия, ЫЬС Карбид тантала, ТаС ТааС Карбид циркония, ТТС Карбид вольфрама, 'й)'С Ч С Бериллий, Ве Окись бериллия, ВеО Бор, В 273 140 †2 4140 3660 3470 14,5 15,1 6,8 11лб 2830 3110 1550 2800 2400 273 15,6 17,2 1,85 2,7 2,3 420 70 — 280 2520л) 1100 1500 273 Замедлитель Управляющий элемент 1575 3010 1250 То же 600 2700 2400 2,5 13,4 Карбид бора, В,С Гафний, Н1 ') Прв комнатной температуре.
') Кратковременное напряженное состояние. ') Возюкается. ') Только напряжение при сжатии. Свойства конструкционных материалов для реакторов ядерных двигателей 121 !2. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ДВИЖГ:НИЯ 444 Таблияа 72.4 Сравнительные характеристики рабочих тел [91 узсльпая тяга (прн указанных тснперзтурзх з кзьгсрс нагрева, КЬ сел Плп гнпсть, г7 сна Рабпчсе тсзп 4 г20 5250 2750 1070 1235 664 587 905 550 438 1060 610 507 774 481 376 276 638 401 312 226 Водород Гелий Аммиак Вода 0,071 0,290 0,682 1,000 При меча ни с Давление в камере нагрева 45,7 птп, расширение до давлении г птп прн неизменном химическом составе рабочего тела.
Таблица 12.5 Типичные параметры ядерыых двигателей [31 Гелий Взззрпл Пзранетр 890 8 900 Удельная тяга, сек Скорость в выходном сечении сопла, м/сек Тепловая ззоптность реактора, Мег Весовой секундный расход рабочего тела, кг/сек Полный вес ракеты, кг Вес рабочего тела, кг Вес реактора, кг Вес конструкций, кс Полезная нагрузка (на низкой орбите спутника], кг Тяга на уровне моря, кг 14 600 424 24 000 257 114 000 97 000 6 000 5 000 6 000 114 000 84 000 7 000 5 000 18 000 228 000 228 000 П р н и е ч а н н с.
Давление в камере нагрева Ез агм, температура активной зоны 3500'К, материал активной зоны — грайгит. водород и гелий, по состоянию уровня техники, ожидаемого в ближайшие десять лет. Следовательно, интервал величин удельной тяги ядерных двигателей аналогичен интервалу величин удельной тяги двигателей, использующих топлива на основе свободных радикалов с верхним пределом -1000 сек. 445 пь перспективные источники движения 12.4. ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ С ПЛАЗМЕННОЙ СТРУЕЙ Таблица 72.б Результаты вкспернментального определения параметров злектротермнческого двигателя [5] Аргеа Гелий Параиетр 31,7 5,6 45,6 4,66 19 5,6 80,0 1,29 Длина сопла, мм Давление на входе, оти Электрическая атощность, кот Весовой секундный расход рабочего тела, а[век Тяга, кг 0,9 0,75 Скорость в выходнои сечении сопла, м!сек измеренная вычисленная Удельная тяга, сек измеренная вычисленная 1450 1420 4500 4850 590 647 195 198 .
Электротермический реактивный двигатель представляет собой промежуточный тип двигателя между тепловыми и электрическими двигателями. Тяга в электротермическом двигателе создается за счет расширения горячей плазмы, а энергия струи генерируется электрическим источником энергии. По характеристикам электротермический двигатель также занимает промежуточное положение между чисто тепловыми и чисто электрическими типами двигателей. В качестве источника энергии используется электрическая дуга.
При высоких температурах [до 50000'К) рабочее тело при нагревании сначала диссоциирует, а затем ионизуется. Рабочее тело также служит охладителем и образует завесу, защищающую конструкцию от воздействия высоких температур. Ускорение образовавшейся плазмы в насадке или сопле обеспечивается за счет тепловой энергии. Высокая удельная тяга электротермического двигателя по сравнению с обычными тепловыми двигателями обусловлена более высокими температурами, которые могут поддерживаться в конструкции с помощью завесы.
Однако электротермический двигатель пока может работать только в течение нескольких минут, так как электроды и сопло разрушаются под действием горячей плазмы. Возможно„ !т. перспектиВные источники дВижения что срок службы электротермического двигателя удастся про- длить до 100 час и более за счет пористого охлаждения электро- дов, применения электролитических электродов и разработки теп- лозащитных материалов. Таблица !2,7 Типичные параметры электротермического двигателя 131 Рабочее тело Водород Тяга, кг Средняя температура струи иа выходе, 'К Вес рабочего тела (па !00 час работы), кг Вес энергетической установки (5 кг/квт), кг Давление в камере нагрева, ага Мощность струи, квт Весовой секундный расход рабочего тела, г/сгк Отношение тяги к весу '! Подводимая мощность, Мвт К. п, д, двигательиой установки, ай Скорость в выходном сечении,м/сгк Удельная тяга, свк 5,1 1840 5000 1,0 245 5,1 7,5 10 л 1,0 24,5 9800 1000 '! Беа веса «осмнчесного корабля, но е учетом веса рабочего тела на !ОО час работы.
12.5. ДВИГАТЕЛЬ С ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ УСКОРИТЕЛЕМ ПЛАЗМЫ В электромагнитном ускорителе плазмы не используются термические методы получения высоких скоростей рабочего тела, однако он не является и строго электрическим ускорителем. Ионы и электроны генерируются при помощи электрической Современные электротермические двигатели очень примитивны и находятся на предварительной стадии разработки. Результаты типичных испытаний таких двигателей приведены в табл. 12.6. Ясно, что с помощью такого метода в дальнейшем можно получить большие величины удельной тяги. В табл. 12.7 представлены типичные конструктивные параметры электротермического двигателя, которые, возможно, будут реализованы в ближайшее десятилетие.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
