Синярев Г.Б., Добровольский М.В. Жидкостные ракетные двигатели. Теория и проектирование, 1957 г. (1240838), страница 42
Текст из файла (страница 42)
1. Современные топлива, состоящие из кислорода, водорода н углерода, используют элементы, имеющие наиболее низкие запасы химической энергии. Имеются пары (например, Ве+О и Ы+Г), которые дают величины теплотворных способностей, в 2,5 —:3 раза большие, чем теплотворные способности современных топлив, Это послужило основой для неоднократно высказывавшихся предположений о возможности достижения на металлических топливах' очень высоких удельных тяг, порядка 400 — 500 единиц. 2. Удельные веса, а следовательно, и теплоплотности почти всех металлических топлив весьма велики, например, для топлива Ве+ О— 8850 ккал/л; для Мй;+1Р— 5550 ккал/л.
Это обстоятельство также привлекало внимание к,вопросу использования металлических топлив на ракетах. 3. Крупным недостатком почти всех металлических топлив является высокий молекулярный вес п~родуктов сгорания, а следовательно, низкая весовая теплоемкость. Вместе с большой теплотзорной способностью это определяет высокие температуры сгорания, а следовательно, большие потери на диссоцивцинх Если несколько лет назад мы не располагали необходимыми термодинамическими данными о продуктах сгорания металлов, то в настоящее время эти данные широко опубликованы и позволяют довольно точно рассчитать процесс сгорания металлических топлив.
Так, наириьгер, для топлива кислород+ алюминий температура сгорания достигает 5000' абс. П~ри этом за|траты энергии на днссоциацию и испарение продуктов сгорания составляют около 2600 ккал/кг, т. е, 67"/о от величины теплотворной способности. Молекулярный вес газообразных продуктов велик (ра =48), в связи с чем показатель адиабаты расширения очень мал (Й= 1,2) и эффективность процесса расширения невелтгка (т1г = 0,534 при отношении давления 100; 1). Все это вместе взятое приводит к тому, что теоретическая удельная тяга топлива О+А1,равна всего 230 единиц, т. е.
значительна меньше, чем топлива кислород+керосин. 4. Величины запаса химической энергии Ко ккал/кг металлических топлив, приведенные в табл. 8, относятся в основном к твердому состоянию продуктов сгорания, т. е. не являются низшими теплотворными способностями Ою которые вычисляются исходя из предположения о том, что п~родукты сгорания являются газообразными. Это сделано по необходимости вследствие того, что теплоты нспаре- ' Под металлическими топливами будем в дальнейшем условно понимать все топлива, использующие горючее, неорганического происхождения, в том числе бор и кремний. 210 ния многих продуктов или вовсе неизвестны, или известны с очень малой точностью. Кроме того, в условиях сжигания металлических топлив в ЖРД продукты сгорания их частично могут находиться в конденсированной (твердой или жидкой фазе).
В этом случае запас химической энергии более правильно относить к твердому состоянию продуктов сгорания. Надо иметь, однако, в виду, что теплота испарения продуктов сгорания металлических топлив, особенно кислородных соединений металлов, весьма велика. Так, нап(зимер, по некоторым данным теплота испарения окиси бериллия превышаег его теплоту образования. Это означает, что при сгорании бериллпя в газообра~эный продукт (окись бериллия) тепло не выделяется, а должно быть подведено извне. С другой стороны, температура кипения продуктов сгорания металлических топлив (и особенно окислов), как правило, очень вели~на.
Соответствуюаци~е цифры в табл. 8 иногда отсутствуют, а часто не являются достаточно точными, почему и заключены в скобки. Однако даже приведенных данных достаточно для того, чтобы можно было оценить состояние продуктов сгорания в камере. Очевидно, что для достижения высоких температур часть продуктов сгорания должна находиться в твердом или жидком соотояниае, а часть в газообразном состоянии. Относительные количества вещества, находящегося в конденсированной и газообразной фазах, определяются законом изменения давления насыщенных паров от температуры.
В случае сгорания алюминия с кислородом в жидком состоянии находится около 21в/е (по весу) всех продуктов сгорания. Следовательно, часть продуктов сгорания металлических топлив находится в неудобном для расширения состоянии, что также уменьшает удельную тягу. Таким образом, анализ овойств металлических топлив показывает, что в отношении получения больших удельных тяг онн себя не оправдали, Известные затруднения вызывает и способ использования металлических топлив в ЖРД.
Предполагалось, например, подавать их в камеру или в жидком расплавленном виде, или в виде суспензий, т. е. взвесей тонко размолотых металлических порошков в жидких горючих, или в виде соединений металлов с органическими веществами — так называемых металлоорганических соединений. Некоторые металлоорганические соединения хотя и содержат большой процент металла, но при обычных условиях являются жидкими.
Примером таких металлоорганических соединений могут служить соединения, приведенные в табл. 9. Известный интерес могут представлять также суспензии и кодлоидные растворы металла в горючих. Такое топливо, использующее коллоидный раствор бериллия в гоРючем, было предложено В, П. Глушко в 1930 г. Если содержание металла в горючем невелико, то продукт его сгорания будет находиться в конденсированной фазе и выделит большое количество "фиан«а и химия реактивного движения», № 2, Издательство иностранной литературы, 1948. 211 <О о х Ю о о О, к 00 о 3 Ю 00 00 о Ю Ю О о И О.
о в Ю Ю Ю о 3 Ю о х Ь о О Я 'О 00 ! Ю х 0 О о 0 о СЧ <Р 00 х 0 Ю о о ок О о Ю х о о х о О, о а О л 0 ~Р 00 Ю Ю Ю о Ю о Ю к о 1 Ю $ о Ш о о :Ю х 0' о о О о о 00 о О, О. о 00 х А О Ю Ю Ю й Ю Ю х Ю 0 Ю к х о х Ю Ю о О О Ю х Ю Ю О ~О Ю Ю Ю »хохх О. Ю а5 о Ю х Х О., .'0 Х »Ю Ю о Я, о а о о ,,х х о'' Ю Х ОЮХО ахос о хоо~х ю к ю х 3 Ю ц х ю » Ю а В о о О.
" Ю х 0 Ю »х о х ю ЮО ю а Зхак оо ЭХОО ,юх юХОЮ~Ю юкхю ю х х х х ю Х 0 к Ю х Ю 0' х х х х Ю О О, О 1О ХО0 х х» х К Ю „а Юй Ю .О Ф хк ко ою 0О х 0 х~ О. 1О О ъ х » х О, х 212 Таблица 9 Содержание металла в пгп но весу Удельный вес т кг/л та ппавл Ос г квп ОС Химическая формула Вещество 0,72 0,70 0,20 0,88 0,895 58 76 200 53 52 — 47 84,8 50,7 13,4 91,2 78,5 Вь На В,Нт1Ч Ве (СгНь1г 81зНа 18г1 ~а)г 11 Пентаборан Днборанимин Днттнлбернллнй Трнсилан Трнснлиламнн — 66 12 — 117 — 106 тепла, которое воспринимается газообразными продуктами сгорания. Небольшое содержание конденсированной фазы |в продуктах сгорания не слишком ухудшит процесс расширения.
Использование суспензий и коллоидных растворов металлов в горючих требует, однако, создания особых видов арматуры системы подачи. Подача расплавленного жидкого металла в камеру ЖРД прин. цнпиально возможна, так как аппаратура для этого (например, насосы) уже разработаны и используются в других отраслях техники. Труднее организовать нагрев и расплавление металла в малогабаритных и легких устройствах, а также обеспечить хороший распыл н сгорание его в камере. Двигателей, работающих на каких-либо металлических топливах, в настоящее время нет.
Вторым возможным путем увеличения теплотворной способности топлив для гКРД является применение в качестве компонентов топлив веществ с большой положительной теплотой образования. В качестве окислителей такого рода можно указать на озон, который при образовании его из кислорода аккумулирует 730 ккал/кг, отдавая их при сгорании. Известным горючим с большой положительной теплотой образования является ацетилен, требующий для своего образования затраты 2120 ккал7кг.
Использование таких топлив затрудняется весьма большой взрывоопасностью компонентов. Значительного повышения теплотворной способности топлив можно было бы достичь, если бы удалось применить в качестве горючих и окислителей обычные элементы, но находящиеся не в молекулярной, а в атомарной форме. Так, например, теплота образования атомарного водорода составлиет 51 700 ккал/кг. Если применить его |в качестве горючего, то тепловой эффект топлива кислород+ водород возрастает до 8960 ккал/кг.
Если сжечь атомарный водород с атомарным кислородом, то тепловой эффект составит 12 200 ккал/кг. Можно также говорить о применении атомарных веществ в качестве унитарных топлив, если энергия будет выделяться только га сч'т Рекомбинации атомарного элемента в молекулярный. 213 Реальное применение атомарных элементов не может быть осуществлено до того момента, пока не будет найден способ консервации элементов в атомарном состоянии. Топлива, обладающие лучшими термодинамическимн свойствами продуктов сгорания Как мы видели, создание новых топлив за счет использования компонентов с повышенной теплотворной способностью наталкивается на определенные затруднения, возникающие в основном из-за высоких температур сгорания.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
