Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.Л. Теория ракетных двигателей. 1989 г. (1241535), страница 41
Текст из файла (страница 41)
Использование гелей шуги водорода 1см. 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 СН4, этапа С,Н„пропана С,Н, и др. Эти углеводороды доступны, могут храниться в условиях космического пространства, имеют низкую стоимость и сравнительно высокие значения удельного импульса при использовании в паре с жидким кислородом Жидкий метан, например, является еще и хорошим охладителем, позволяет получать восстановительный генераторный газ, не содержащий конденсата.
Газообразный метан может быть нагрет в рубашке охлаждения ЖРД до 1000 К. Все это делает перспективным применение криогенных углеводородов !возможно в шугообразном состоянии) для мощных маршевых двигателей ракет-носителей и для двигателей космических аппаратов с длительным пребыванием в космосе. Большое внимание уделяется улучшению свойств высококипящих углеводородных горючих. Разрабатываются углеводородные горючие нефтяного происхождения и синтетические с улучшенными физико-химическими свойствами, повышенной плотностью 184 и т. п.
Имеются публикации о том, что в США создано углеводородное горючее КЗ -5, имеющее плотность, существенно более высокую, чем керосин. Среди исследуемых двухкомпонентных топлив, окислитель и горючее которых являются химически устойчивыми индивидуальными веществами, топливо фтор + водород является наиболее эффективным из всех известных. 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 дальнейшее развитие н улучшение уже освоенного топлива О,, + Нм.„. Применение жидкого фтора в качестве окислителя ракетных топлив было впервые предложено Ф. А. Цандером в 1932 гст а смеси жидких кислорода и фтора — В. П. Глушко в 1933 г.
Комбинация Г,, + Х,Н„имеет сравнительно высокие значения удельного импульса и плотности. Охлаждающие свойства гидразина позволяют преодолеть трудности теплозащиты, связанные с высокой температурой горения. Специальные добавки, не влияющие на энергетику, устраняют опасность разложения и взрыва гидразина при использовании его для регенеративного охлаждения.
Топливо моноокись фтора с дибораном представляет 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 теплоизоляцию 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. Исследуемые высококипящие топлива сравнительно, немногочисленны.
Согласно публикуемым материалам наиболее эффективным по удельному импульсу является топливо на основе высоко- концентрированной перекиси водорода (впервые предложена В. П. Глушко в !930 г. в ГДЛ) с пентабораном. Пентаборан чрезвычайно токсичен и самовоспламеняется в воздухе. Однако найдены присадки, устраняющие эту опасность (температура самовоспламенения повышается на 100 К). К недостаткам рассматриваемого топлива относят высокую температуру плавления концентрированной перекиси водорода. В то же время стабильность Н,О, достаточна для применения во многих случаях: чистые растворы 185 концентрированной Н,О, разлагаются со скоростью, меньшей 0,6 % в год. Топливо МеОе + В,Н, имеет существенно меньшее теоретическое значение удельного импульса, но более высокую плотность и стабильность, оба его компонента пригодны для применения в системах с предварительной заправкой и герметизацией емкости.
Отличительной особенностью топливных композиций С)ге+ + Р!вН„НС!Оа + НДМГ, (Зо !е ивов+ 70 Уе С !Ное)а)+ + НДМГ является повышенная плотность; следует отметить также высокий удельный импульс первого из этих топлив и широкий температурный диапазон жидкого состояния хлорной кислоты.
17.6. МЕТАЛЛОСОДЕРЖАЩИЕ ТОПЛИВА 5дга 5ЕЕР Р 5 ДГ 15 7О 75 Я Сеетгннооое иентаеео, тут 17.8. Зависимость удельного импульса в пустоте от содержания металла в топ. лине УЖУ О 5 Д1 75 7О 75 а!7 сетуеуттноное иеотома, а)е 17.7. Зависимость удельного импульса в пустоте от содержания металла в топ- ливе 186 Среди выосокоэнергетических горючих внимание привлекают металлы Ве, 11, А! и их гидриды. При горении этих металлов в кислороде и фторе на единицу массы продуктов сгорания (окислов и фторидов) выделяется больше теплоты, чем, например, при горении водорода. Кроме этого, указанные металлы имеют довольно высокую плотность. На рис.
!7.7 приведены результаты расчетов удельного импульса топлива О, + Н,, с добавками различных металлов. По оси абсцисс отложено относительное содержание металла в топливе, по оси ординат — удельный импульс при р„ = 7 МПа, е = 70 и оптимальном соотношении окислителя и горючего. Согласно термодинамическим расчетам применение добавок легких металлов, главным образом Ве, может обеспечить существенное повышение энергетических характеристик топлив. Применение металлических добавок к топливу на основе жидкого водорода снижает плотность топлива, что связано с уменьшением количества окислителя в топливе и увеличением количе.
ства водорода при оптимальных соотношениях. Оптимальным соотношением всех компонентов является примерно такое, когда весь окислитель расходуется на стехиометрическое окисление 75 а и/с 55н и/г Ту» и/е луар Иае я.'лт и ае 1а ат 1Ф уе Ее и 1уг/',мгУаа1 гвйг а Х та !л еа ее" еа ыулеиаа иеигаеаа, % 17.9. Зависимость удельного импульса в пустоте от содержания металла в топ- ливе 17.10.
Зависимость массы полезной нагоуэки от значения комплекса рт у.п металла, а водород добавляется до достижения максимального удельного импульса. Аналогичные данные, приведенные на рис. 17.8 и 17.9, показывают возможности повышения характеристик некоторых высококипящнх топлив путем использования металлических добавок. Для высококипящих топлив также характерно уменьшение оптимального количества окислителя при добавлении металла, однако из-за более высокой плотности горючих по сравнению с Н,, добавление металла, более тяжелого, чем оба компонента, повышает плотность топлива.
Из гидридов металлов особый интерес представляет ВеНа и А!На. Плотность этих веществ довольно высока и равна 0,63 и 1,48 г!сма соответственно. Идеальный удельный импульс в пустоте топлива НаО, + ВеН, при оптимальном соотношении компонентов (й = 1,511; а,„= 0,24), р„= !5 МПа и а = 3000 составляет 4800 м/с, т. е. близок к удельному импульсу топлива га, + + Н, Это наиболее высокая характеристика для высококипящнх топлив, горючее и окислитель которых являются индивидуальными веществами. Оценка эффективности применения металлизированных топлив в ракетном блоке, предназначенном для перевода аппаратов с низкой орбиты на стационарную (по зарубежным данным), показывает, что масса полезной нагрузки может быть выражена как М, „а (р,!":, „) + Ь, где а и 5 — некоторые постоянные.
В качестве примера на рис. 17.10 приведены значения М, „, рассчитанные по формуле М, „=, Р' ', — М„, где )г, = 56,63 м' — объем топлива; Л(У = 4267,2 м/с — приращение скорости аппарата; М„= 2761,6 кг — масса аппарата после выработки топлива. Как видно, расчетные точки хорошо ложатся на прямую, построенную в координатах М, „— р,l;; „. 197 Вследствие высокой теоретической эффективности металло- содержащих топлив оправданным становится поиск решения вопросов их практического использования.
Одной из важных проблем является проблема хранения и подачи металла в камеру сгорания. Важным также является поиск путей реализации высокого импульса в связи с потерями из-за неравновесного течения двухфазной смеси в сопле, а также связанными с защитой камеры от воздействия конденсированных частиц. Содержание конденсата (окислов алюминия А)зОз, берилия ВеО и др.) в продуктах сгорания при оптимальном соотношении компонентов составляет до 40 % по массе. 17.7. ГЕЛЕОБРАЗНЫЕ ТОПЛИВА Гелеобразиые топлива исследуют в связи с решением задач создании хранимой однородной суспензия металлов в компонентах топлива, увеличения срока хранения криогенных компонентов топлив в условиях невесомости, улучшения.
эксплуатационных характеристик топлив (гелирование способстпУет быстрому затуханию колебаний в баке) и т. д. Создание новых гелеобразных топлив и комбинирование современных оиислителей с гелеобразными горючими позволит существенно уменьшить размеры крупных ракет-носителей.
В статических условиях при небольших нагрузках и умеренных температу. рах гель ведет себя подобно твердому телу. Например, коэффициент вязкости н предел текучести гидразина ХэНз н алюминизина (86,5 зе Х,Н4, .30 ей А1; 0,5 ~ гелирующей добавки) соответственно равны 0,97 !О а н 45 Н с.'м', 0 и 170 Н!мэ. Течение геля начинается после приложения сдвиговых напряжений, достаточных для разрушения структуры.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
