Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1980 г. (1241533), страница 85
Текст из файла (страница 85)
Поэтому работы в области новых высокоэффективных окислителей направлены на улучшение стабильности их в составе ТРТ. Таблица 30.4 термодинамические характеристики некоторых соплив на новых компонентах г и!с Горюяее — свззующее, % е, г/сиз 'е, к Добавки, М Окислитель П р и м е я а и и е. условной формулой !Снн„записаио илеализиревзвпое горюяее— связующее. близкое по составу к пасыщеииым полимерам. Повышение эффективности горючих компонентов идет по пути создания новых связующих и замены алюминия другими добавками.
Из металлов рассматривают бериллий, а также гидриды металлов. Использование бериллия в качестве добавки дает прирост удельного импульса на 200 м/с и более (табл. 30.4). Однако применение бериллийсодержащих топлив в больших количествах сдерживается высокой стоимостью бериллия (запасы в земной коре ограничены) и токсичностью продуктов сгорания, в которых содержатся окислы бериллня. лтояс104 но сю Но,с!о, Нояс!Ое Ноясюе НОяс Ю пояс !О4 нн сю анас!О4 МН4С104 нн сю НН СЮ4 (Сня)„(21) Поливфйр (32) (СНя)л (20) (СН,)„(15) (СНя)„(17,5) (СНя) (25) (СНя)„(!7,5) (СНя)„(15) (СНя)1 (17,5) (С!!я)а (15) (СНя)л (20) (СНя)„"(15) А! (15) А(Нз (25) Е1А! На (20) Ве (8) ВеНя (!7,5) А(Нз (34) Е!А(не (25) Ве (!2) ВеНя (25) А1 (19) 1,7 1,75 1,76 1,66 1,45 1„61 1,34 1,53 1,32 1,66 1,14 1,74 3603 3375 3894 3783 3507 3270 3208 2546 2334 3!72 2644 3179 2729 2530 276! 2925 2867 2856 3077 2689 2599 2801 2981 2590 Глава ХХХ1 ТОРЕНИЕ ТВЕРДЫХ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ з«.«.
«инхдцнза«гоннннй горев««е представляет собой сложный многостадийный процесс химических превращений топлива и распространения реакции от поверхностных слоев вглубь заряда. Химические реакции и процессы переноса, определяющие механизм горения, зависят от состава н структуры топлива. Механизм горения различен для двухосновных и смесевых топлив. м, «. «. дврхосновные топлива Химические превращения твердых компонентов в газообразные происходят в несколько стадий.
В рамках одномерной модели процесс горения двухосновного топлива описывают следующим образом. Теплоподвод от продуктов сгорания приводит к прогреву поверхностного слоя топлива (рис. 31.1, зона 1), в котором начнпа- рас. 3«.«. Схема горенок дерзновенного птз « — зона протекваав реакций в твердой Омзе; à — з>на гахн>рнкааназ 8-зон» глзменнмк реаккай« 4 †зо аламеан «раановесвмй хвмакесйнй состав« (31. 1) ется плавление и разложение твердой фазы.
Реакции разложения являются экзотермическими и ускоряют процесс газификацнж твердого топлива. Температура поверхности горения Т, определяется теплопередачей от зоны газовых реакций и тепловым эффектом реакций, происходящих в твердой фазе. Установлено, что Т, возрастает с увеличением .
давления. Для определения скорости газификации на стадии разложения твердой фазы можно применить уравнение Аррениуса и=Аер( е ) "де А — коэффициент, зависящий от состава топлива; Е, — энергия активации реакции горения; я в газовая постоянная. Выражение (3!.1) является кинетическим соотношением, определяющим зависимость скорости разложения от температуры поверхности горения. В теории горения твердых топлив оно часто "спользуется в расчетах термического разложения компонентов. Коэффициент А можно считать постоянным, а скорость горения ~~гда эквивалентна скорости разложения твердой фазы при темпе- ратуре Т,. Вследствие низкой теплопроводности твердых ракетных топлив подвергающийся прогреву поверхностный слой («прогретый слой») очень тонок — десятые и сотые доли миллиметра С увеличением линейной скорости горения толщина прогретого слоя уменьшается, в связи с чем роль экзотермических реакпий в этом слое снижается.
Реакции разложения твердой фазы занимают срав вительно небольшую часть прогретого слоя с большим градненто:, температур. Процессы разложения„определяемые множеством факторов химической и физической природы (плавление, разложение, диспергирование), еще не полностью изучены. Об этом говорит и тот факт, что значения температуры Т, при различных эдсперименталь ных исследованиях определяются с большим разбросом и не могу~ быть найдены теоретически с достаточной для практики точностью. Газифицнрованные продукты разложения твердого топлива н . некотором расстоянии от поверхности вступают а экзотермическпс предпламенные реакции, приводящие к продуктам неполного сгорания.
Эту зону предпламенных реакций принято называть зоной газификации (см. рис. 31.1, зона 2). Она состоит из двух вбластей с разными свойствамв, определяемыми различием химнческнх процессов. В узкой области (а), толщиной в несколько десятых долей миллиметра, примыкающей к твердой поверхности горения, продолжают протекать реакции разложения, однако уже в жидкой фазе. В этой области жидкая пленка имеет пенообразную структуру, и реакции разложения протекают с интенсивным тепловыделением. В остальной части зоны газификации (б) происходит в основном накопление продуктов разложения и лишь частично — реакции в газовой фазе.
Считают, что температура зоны газификации составляет приблизительно 1700 К. Таким образом, в зоне газнфнкац;ш могут протекать реакции как в газовой, так н в конденсированной фазах. Однако тепловой эффект экзотермических реакций в конденсированной фазе мал по сравнению с тепловыделением в реакциях, протекающих в газовой фазе. Наконец, в зоне 3 происходят собственно пламенные реакции между продуктами неполного сгорания. В результате этих реакций образуются конечные продукты сгорания и устанавливается химическое равновесие при температуре пламени (зона 4). Реакции в газовой фазе для этой зоны подчиняются обычным закономерностям гомогенного горения. Эксперимептально и теоретически показано, что равновесный состав продукте сгорания устанавливается при давлении выше 3 МПа.
При низки давлениях химическое равновесие может не достигаться, что при водит к снижению температуры продуктов сгорания. М. Ь Е ОМЕСЕВЫЕ ТОПЛИВА Процесс горения смесевого топлива, квк и двухосновного, состоит из нескольких стадвй с тепловыделением н нарастанием температуры. Первая стадия горения — это термическое разложение комис нентов.
Скорости термического разложения окислителя и горючего связаны с температурой разложения уравнением Аррениуса (31 1). пходящие в это уравнение температуры поверхности окислителя и орючего, так же как энергия активации Е„„и Е,, не одинаковы. рто лежит в основе принятой в теории горения смесевых топлив „ипотезы «двух температур», согласно которой термические разло,кения окислителя и горючего — связующего являются локально независимыми процессами.
Для упрощения принимают среднее значение температуры Т„которое не зависит от давления в случае, ко;да процесс термического разложения определяется энергией активации Е)ЕТ,. Наиболее рдспространепной моделью горения смесевых топлив является модель гранулярно-диффузионного пламени Саммерфнлда Согласно этой одномерной модели горение происходит в тонкой зоне диффузионного пламени, примыкающей к твердой поверхности, на которой протекают реакции сублимации или пнролнза. физически процесс протекает так, что продукты термического разложения горючего и окислителя образуются в виде отдельных объемов (карманов), величина которых определяется массой кристаллов окислителя, и затем сгорают.
На этой стадии процесса преобразования твердого топлива скорость горения определяется диффузионным смешением и кинетикой химических реакций. Модель гранулярно-диффузионного горения достаточно полно отражает механизм горения смесевых топлив на основе перхлората аммония и ряда связующих (полибутадиены, полисульфиды и др.). Однако для некоторых топлив, даже на основе перхлората аммония, она не применима.
Наличие алюминия в составе смесевых топлив вносит некоторые особенности в процесс горения. На основании проведенных исследований горение частицы алюминия считается диффузионным. Оно происходит в зоне, окружающей частицу металла, куда диффундируют кислород нз внешнего потока и пары с испаряющейся частицы. Пары металла диффундируют и вступают в реакцию с кислоРодом. На поверхности горящего топлива некоторые частицы алюминия плавятся и сливаются в более крупные. Процесс воспламенения и горения алюминия на .поверхности топлива зависит от их диаметра.
Мелкие частицы успевают расплавиться непосредственно на поверхности твердого топлива. Частицы с диаметром а несколько десятков микрон плавятся и воспламеняются уже в зоне пламени, куда они уносятся газовым потоком. Таким образом, характерной стадией горения являегся процесс Разложения н газификацви твердой фазы. Этот процесс существенно зависит от интенсивности теплоподвода к поверхности твердого топлива. Все факторы, увеличивающие теплоподвод, ускоряют разложение и газификацию поверхностного слоя. Из приведенной схемы процессов можно заключить, что скорость горения должна зависеть от природы топлива, от давления, прн ко~~ром осушсствляется горение, от начальной температуры топлива,скорости движения газа вдоль поверхности горения и от других факторов, воздействующих на теплообмен и скорость реакций в конденсированной или газовой фазе. В большинстве случаев теория горения лишь объясняет, но не предсказывает аналитически эти зависимости, количественное опи саине которых базируется пока на опытных данных.
31.2. ЗАВИСИМОСТЬ СКОРОСТИ ГОРЕНИЯ ОТ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ и, дсдо/с 2Р 2 д лр,~й о гг 6 В 70 15р,МПа 4 Рве. ама расоговвве ат аввы пламсав до веаерапостн горение в аввисвноств от даа- Рмс. Зсд. Звввснмоста саороств сорвина ет даааеавш С вЂ” монотоннаа заннсимосты а-оаансммосто с уоастиом «плато» сках реакций в газовой фазе. Высоксгемпературная зона пламени приближается к поверхности твердого топлива (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
