Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1980 г. (1241533), страница 46
Текст из файла (страница 46)
17.4 и 17.5 показывает, что лучшие из стабильных топлив уступают классическому криогенному топливу (Ох) ж+керосин по удельному импульсу, но имеют преимушество по плотности. 218 Одним из главных противоречий, возникающих при выборе топлив для выполнения космических программ, является то обстоятельство, что часто высокоэнергетические топлива и их продукты сгорания весьма токсичны и представляет большую опасность для окружающей среды. Для аппаратов, стартующих с Земли и используемых в ближнем космосе, применение токсичных компонентов нежелательно.
Новым путем повышения возможностей космических аппаратов, использующих безопасные топлива, менее эффективные, чем многие из осваиваемых, является стыковка в космосе раздельно выведенных на орбиту аппаратов и их дозаправка топливом. Реальность этого пути была впервые продемонстрирована успешной работой автоматического грузового корабля «Прогресс-1» и станции «Салют-6» 22 января 1978 года. По мере освоения и развития этого направления, создания многоразовых космических транспортных систем будут расширяться возможности ограничивать применение в околоземном пространстве токсичных топлив.
Вместе с тем сохранит и увеличат свое значение тенденция совершенствования свойств безопасных компонентов топлива, прежде всего горючих. Низкая плотность и низкая температура кипения жидкого водорода серьезно затрудняют его использование в ракетах для продолжительных космических полетов.
В связи с этим перспективным представляется применение шугообразного водорода. Шугообразный водород — это механическая смесь жидкого водорода с твердым водородом в виде множества мелких частиц, напоминающая воду с размельченным льдом. Содержание твердого водорода в этой смеси может составлять около 50%. Основные преимущества шугообразного водорода перед обычным — повышенная плотность и увеличенная хладоемкость, а следовательно, увеличение времени хранения. Использование гелей шуги водорода (см. равд.
17.7) может облегчить решение проблемы относительно длительного хранения жидкого водорода в космических условиях. Значительное внимание уделяется криогенным углеводородным горючим, полученным на основе низкомолекулярных газообразных углеводородов: метана СНь этапа СаН« и др. Эти углеводороды привлекают к себе внимание доступностью„ возможностью хранения в условиях космического пространства, низкой стоимостью и сравнительно высокими значениями удельного импульса при использовании в паре с жидким кислородом.
Жидкий метан, например, является еще и хорошим охладителем. Газообразный метан может быть нагрет в рубашке охладителя ЖРД до температуры -1000 К. Все это делает перспективным применение криогенных углеводородов( возможно в шугообразном состоянии) для длительных космических полетов. Большое внимание уделяется улучшению свойств высококипящих углеводородных горючих. Разрабатываются углеводородные горючие нефтяного происхождения исинтетическиесулучшенными физико-химическими свойствами, повышенной плотностью и т, п. 219 Сообщается 181), например, что в США создано углеводородное горючее мЛ-5, имеющее плотность, существенно более высокую, чем керосин.
Применение высокоэнергетических токсичных топлив не исключено на верхних ступенях ракет, разгонных блоках и межпланетных космических аппаратах. В этих случаях используются умеренные количества компонентов при разработке двигателей и эксплуатации аппаратов и уменьшается вред, наносимый окружающей среде. Вместе с тем повышение энергетических характеристик топлив и возможность их длительного хранения оказываются решающими для выполнения сложных космических программ. Топливо фтор+водород является наиболее эффективным из всех известных двухкомпонентных топлив, окислитель и горючее которых являются химически устойчивыми индивидуальными веществами. Вместе с высоким удельным импульсом это топливо имеет и сравнительно высокую плотность вследствие высокой плотности жидкого фтора и большого значения оптимального соотношения компонентов й .
Несмотря на высокую токсичность и агрессивность фтора и продуктов сгорания, освоение этого топлива рассматривается как развитие и улучшение уже освоенного топлива (02) 2К+ (Нз) Зк. Применение жидкого фтора в качестве окислителя ракетных топлив было впервые предложено Ф. А. Цандером в 1932 г., а смеси жидких кислорода и фтора — В. П. Глушко в 1933 г. Комбинация (Гз) +МзН4 имеет сравнительно высокие значения удельного импульса и плотности. Охлаждающие свойства гидразина позволяют преодолеть трудности теплозащиты, связан.
ные с высокой температурой горения. Согласно опубликованным данным, специальные добавки, не влияющие на энергетику, устраняют опасность разложения и взрыва гидразина при использовании его для регенеративного охлаждения. Топливо моноокись фтора с днбораном может представить интерес для применения в системах, хранящихся в условиях космоса от нескольких месяцев до одного — двух лет. По расчетам, физические свойства этих криогенных компонентов (температура плавления и давление насыщенных паров) благоприятны для хранения их в космических условиях с небольшими потерями и малыми затратами на теплонзоляцию и терморегулирование. В то же время высокие характеристики сочетаются с такими неблагоприятными факторами, как невысокая плотность диборана, отсутствие возможности создания эффективного газогенератора и непригодность обоих компонентов для регенеративного охлаждения.
Считается, что в двигателе, работающем на этом топливе, следует применять абляционную теплозащиту. В табл. 17.6 приведены по литературным данным характеристики некоторых исследуемых криогенных топлив. Исследуемые высококипящие топлива сравнительно немногочисленны. Публикуемые материалы в основном касаются нескольких композиций, приведенных в табл. 17.7, Согласно этим материа- О!~ДОВ~.-Сс 3' ЛСС4 'Ф С4 О Сс С'4 Ю4 Ос Сс Сс С4 С 3 о й С о $ Я о 3 Я о сс $ 221 х З й о .,о с Ц йо с„ю хо хй йо 34 о х о Ф 4$ ю хо йЗ ой $. о ой х м $3 й о $ 'о оо оь $ Ос ХО Сс 43 о !! %% 43 $ ОЗС4С'сфЯ Ос со С'4 3 СЛСЛ ЬС4Ь Сс Ь Осо СЛ $3 сю С 3' ОСЛСЮ$3 СРЬО ЬСЮОЗОЮ Ф Ф Л В Л3 Ь СЮ Ь $- СЮ СО О О=ООО % % % % % оо ЮЖ ДЯ ++ % % К ос~ сл сю хо й О ~ $ о й хо о ой хо о х Р и. о й хй хо й й Ф о ~о о хо хо о „Фс х !! $.
34 Ю сс о~ $ ф %% 1 сс лам наиболее эффективным по удельному импульсу является топливо на основе высококонцентрированной перекиси водорода (впервые предложена В. П. Глушко в 1930 г. в ГДЛ) с пентабораном. Пентаборан чрезвычайно токсичен (см. табл. 17.2) и самовоспламеняется на воздухе. Однако найдены присадки, устраняющие эту опасность (температура самовоспламенения повышается на 100 К).
К недостаткам рассматриваемого топлива относят высокую температуру плавления и недостаточную стабильность концентрированной перекиси водорода. Топливо И701+В7Нд имеет существенно меньшее теоретическое значение удельного импульса, но более высокую плотность и стабильность обоих компонентов, пригодных для применения в системах с предварительной заправкой и герметизацией емкости.
Отличительной особенностью топливных композиций С1га+ +И7Нл, НС101+НДМГ, (307)1о И701+701)1оС(МО7)л)+НДМГ ЯвлЯ- ется повышенная плотность. Следует отметить также высокий удельный импульс первого пз этих топлив и широкий температурный диапазон жидкого состояния хлорной кислоты. п.е. мктлллосодк жлщик топливА 7у „, мЕг Среди высокоэнергетических горючих внимание привлекают металлы Ве, 13, А! и их гидриды.
При горении этих металлов в кислороде и фторе на единицу массы продуктов сгорания (окислов и фторидав) выделяется больше тепла, чем, например, при горении водорода. Кроме того, эти металлы обычно имеют во много раз большую плотность. На рис. 17.7 приведены результаты расчетов удельного импульса топлива (07) + (Н7) с добавками различных металлов.
По оси абсцисс отложено относительное содержание металла в топливе, по оси ординат — удельный импульс при ро,=7 МПа, 7=70 и оптимальном соотношении окислителя и горючего. Согласно термодинамическим расчетам применение добавок легких металлов, главным образом Ве, может обеспечить существенное повышение энергетических характеристик , Бе топлив. Применение металлических до; ~7 7 бавок к топливу на основе жид«еее кого водорода снижает плотность ! в Ы топлива, что связано с уменьше- ШХ7О де нием количества окислителя в топливе и увеличением количест"уее 1,.- ва водорода при оптимальных сои~ л7777лу — отношениях. Оптимальным соот- ношением всех компонентов явРие.
17.7. Заииеимоееь уиелъиоео имиулееа ляется примерно такое, когда весь окислитель расходуется на стехиометрическое окисление металла,' а водород добавляется до достижения максимального удельного импульса. Аналогичные данные, приведенные на рнс. 17.8 и 17.9, показывают возможности повышения характеристик некоторых высоко- кипящих топлив путем использования металлических добавок. Для высококипящих топлив также характерно уменьшение оптимального количества окислителя при добавлении металла, однако ввиду более высокой плотности горючих, по сравнению с (Нз) добавление металла, более тяжелого, чем оба компонента, повышает плотность топлива. 70,0, ле/г 20», /г 2000 20 0 Х 70 70 20 20,70 0 Х 70 75 20 20 .70 од' лгелталла ого лгешпллп Рпс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
