Синярев Г.Б., Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Теория и проектирование, 1957 г. (1240838), страница 31
Текст из файла (страница 31)
Создание ракеты с малым относительным весом требует высокого качества конструкции. Но относительный вес 'конструкции ракеты зависит также и от свойств топлива. При использовании топлива болыпего удельного веса требуются баки с меньшим объемом, следе ватвльно, размеры и относительный вес конструкции ракеты при этом будут меньшими. Таким образом, второе основное требование к топливу состоит в том, что оно должно и меть возмож но больший удельный вес. Вернемся теперь к первому основному требованию и рассмотрим более подробно условия, прн которых оно может быть выполнено.
Удельная тяга ЖРД в соответствия с формулой (ГК 10) определяется как н/ 2 ук н "Ънс'Ч сЛЛс яА Для получения больших величин удельной тяги согласно этой формуле необходимо вметь топливо с большим запасом химической энергии, которая оценивается, как известно, величиной теплотворной способности топлива Н . Следовательно, п е р в ы м условием достижения большой удельной тяги является высокая теплотворная способность топлива. Отметим, что в обычных теплотехнических установках, где в качестве окислителя нспользутется воздух, забараемый из атмосферы, запас химической энергии (илн теплотворная способность) условно относится только к весу горючего. В ЖРД и горючее и окислитель представляют одинаковую ценность, так как оба размещаючся на борту реактивного летательного аппарата.
Поэтому запас химической энергии в ракетных топливах относят к весу всего топлива. Многочисленные расчеты удельных тяг, интенсивно проводившиеся в последнее время, а также опыты по применению новых топлив, показали, од~нано, что выполнение одного только условия высокой теплотворной способности топлива хотя и является обязательным, но еще далеко не достаточно для того, чтобы обеспечить получение в двигателе большой удельной тяги.
160 Как показывает уравнение (1У. 10), наряду с теплотворной способностью ~величину удельной тяги определяют также и коэффициенты ть„, и чь зависящие, как мы увидим ниже, от свойств топлива. Диссоциация продуктов сгорания протекает с затратой тепловой энергии (превращением ее в химическую), что снижает количество тепловой энергии, выделяющейся в камере сгорания ЖРД. Хотя часть энергии, затраченной на диссоциацию в камере сгорания, возвращается и превращается в тепловую за счет реакций рекомбинации в сопле (см.
стр. 255), это тепло переходит в работу расширения и кинетическую энергию, продуктов сгорания значительно менее эффективно, чем тепло, выделенное в камере сгорания. Поэтому для достижения высокой удельной тяги продукты сгорания топлива должны быть устойчивы против диссоциации. Конкретизируем это в т о р о е условие получения высокой удельной тяги, Степень диссоциацни продуктов сгорания, определяющая коэффициент тв„„находится в самой тесной зависимости от температуры.
При этом, особенно в области высоких температур, коэффициент диссоциации резко уменьшается при повышении температуры. Поэтому, для снижения потерь па диссоциацию продуктов сгорания в первую очередь необходимо иметь возможно более низкую температуру в камере сгорания Т,. Ни Величину Т, проще всего выразить как Т,= —. ср Легко видеть, что при одинаковой тешяотворной способности топлива, Н„ккал/кг, т. е. при одинаковом запасе энергии в нем, температура в камере сгорания, а следовательно, и диссоциация продуктов сгорани|я будут тем меньше, чем больше их теплоемкость, выраженная в ккал/кг 'С. Из гл.
Ц известно, что теплоемкость продуктов сгорания, имеющих одинаковое число атомов в молекуле, отнесенная к 1 граммолю, меняется в довольно узких пределах. Для перевода теплоемкости Продуктов сгорания из ккал/г-моль 'С в ккал/кг 'С служит соотношение, аналогичное (П. 21): 1ООО с ккал/кг 'С=с, ккал/г-моль 'С вЂ” . р и Отсюда видно, что уменьшение молекулярного веса продуктов сгорания будет приводить к увеличению их весовой теплоемкости н к уменьшению температуры сгорания.
Следовательно, для получения низких температур в камере при большом запасе энергии, которое имеет топливо, продукты его сгорания должны иметь возможно меньший молекулярный вес. Кроме того, так как газовая постоянная /т' связана с молекулярным весом соотношением 848 Я=а~— и Ф 11 г. Б. Снисрев и м. в. дасровольскнА. 161 величина газовой постоянной будет тем больше, чем меньше молекулярный вес продуктов сгорания.
Таким образом, можно сказать также, что продукты сгорания ракетных топлив должны'обладать возможно большей газовой постоянной. Иногда это формулируют по-другому. Для продуктов сгорании уравнение состояния немеет вид рн=1сТ или и= — Ь', Т р Я. 2) 162 т. е. мы видим, что при неинменных давлении р и температуре Т,ве'личина удельного объема продуктов сгорания пропорциональна газовой постоянной Я. Величина удельного объема а продуктов сгорания топлива при нормальных (р= 1 физ. атмосф., Т=293' абс.) условиях называется газоабразаеаиигм и обозначается У„. Она выражается обычно в нормальных литрах на 1 кг (и.
л/кг). Чем больше газовая постоянная, тем, ввдимо, больше и газообразованпе. Для достижения ннзких температур и уменьшения интенсивности диссоциация в камере сгорания необходимо, чтобы продукты сгорания ракетных топлив обладали возможно более высокой весовой теплоемкостыо. Это будет в основном достигнуто, если продукты сгорания имеют или малый молекулярный вес, или больнзую величину газовой постоянной Л, или большое значение газообразованнл $',. Последние три характеристики продуктов сгорания совершенно аналогичны и при оценке топлив полностью заменяют друг друга. Необходимо отметить, что более точным условием получения~ малых температур в камере сгорания, а следовательно, и меньших потерь в камере сгорания на диссоциацию является именно высокая весовая теплоемкость продуктов сгорания, а не малый их молекулярный вес.
Как видно,,например, из данных табл. 3, касающихся сгорания топлив кислород+водород и кислород+фтор, несмотря на примерно одинаковые молекулярные веса НзО и НР„весовая теплоемкость последнего меньше м как результат температура сгорания топлива фтор+водород значительно выше, хотя запас химической энергии~ в обоих топливах одинаковый. Покажем, как влияет весовая теплоемкость (или молекулярный вес продуктов сгорания) на качество ракетного топлива, воспользовавшись данньвми по сгоранию в ЖРД двух топлив: водород+кислород и углерод+кислород. Данные по этикам топливам и нх сгоранию без учета и с учетом диссоциации приведены в табл. 3.
Весовая теплоемкость недиссоциврованпых продуктов сгорания первого топлива (НзО; а=18) в два с лишним раза больше, чем для второго то~пляпа (СО~., а =44). В соответствии с молекулярными весами находятся и величины 1г и Г„продуктов сгорания этих топ- Таблица 3 Сгорание бса учета диссцциации Сгорание с учетом диссоциации о е и и Топливо ц О И о ! 3660 1380 16,0 53,0 865 18 0,640 47,1 2345 376 Кислород+во- дород НгО 3210 !9,3 555 3995 0,3!8 33,6 25,2 935 44 1205 СОа 2140 278 Кислород+ уг- лерод 42,4 1230 0,3 50 4980 !8,0 3210 20 47,0 950 Фтор+ водород 411 1!» лив, вычисленные без учета диссоциации.
Влияние диссоциации несколько уменьшает разницу в молекулярных весах продуктов сгорания, но все же она остается весьма з~начительной. Рассматривая приведенные в табл. 3 данные, легко увидеть, что хотя топливо водород+кислород имеет теплотворную способность Н„ в 1,5 раза выше, чем топливо углерод+кислород, температура его горения на 345' меньше температуры горения второго топлива.
В связи с этим потери тепла на диссоциацию Я-, даже по абсолютной величине для первого топлива меньше, чем для второго !865 против 935 клал). Особенно заметна разница в относительной затрате тепла на диссоциацню, равной 1 — т! ., — она составляет для топлива водород+кислород 27% от Н, а для топлива углерод+кислород— 44%. В связы с этим выделение тепла в камере Н ть„, для второго топлива почти в 2 раза меньше, чем для первого. В результате и удельная тяга при расширении от 100 до 1 ат Р„, !сс:! в первом случае значительно больше, чем во втором.
Таким образом, на этом примере наглядно можно видеть преимущество топлива с большой весовой теплоем!.остью !или 8!алым молекулярным весом) продуктов сгорания. Фактором, влияющим на степень диссоциации продуктов сгорания, является также число атомов в молекуле. Как показывают теория и расчеты, молекулы продуктов сгорания с меньшим числом атомов !например, двухатомные) значительно более устойч!авы против диссоциации, чем молекулы с ббльшим числом атомов (например, трехатомные) . В качестве примера можно привести огорание водорода с кислородом и фтором !см. табл. 3).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
