Сарнер С. Химия ракетных топлив (1241536), страница 23
Текст из файла (страница 23)
4.23) при составе системы Мд) !ВРь При любой температуре образуется малое количество МдРЫ Бериллий в присутствии лития образует большее количество фторида (фиг. 4.24); однако фторид лития является основным продуктом. Приведенный состав продуктов сгорания вычислен при меньшей теплоте образования ВеР (г), чем принятое на сегодняшний день значение— ва оопп тапа папа папа Темпераглура, 'К Ф и г. 4.22. Коикурируюгцие реакции; состав системы соответствует формуле 1лНг. 88,3 ккал/моль, которое приводит к большей диссоциации ВеРи (г) и большему содержанию 1.(Р (г). Однако это, по-видимому, не оказывает существенного влияния на результаты при температурах ак аа Ы2Т2 й оа гл ыз гз Мд 12 а а сапа гааа ОООО оапа 5ппп Ге,иоорагоуро, 'У Ф и г.
423 Конкурирующие реакции; состав системы соответствует формуле Минам . менее 2500 К, при которых количество ВеР2 (г) максимально. На фиг. 4.25 показан состав продуктов сгорания конкурирующих горючих бериллия и водорода в системе ВеН2Р2. При низких Я н ап й 4п „гп и Е ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ 123 124 4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ температурах образуется исключительно ВеРа. Выше 3000'К существенно содержание НР (г) вследствие его большей стабильно,сти. Применение принятого в настоящее время значения теплоты ао О ~аоа гша Ф и г.
4.24. Конкурирующие реакции; состав системы соответствует формуле ~ 12Ве~т По 0 гооо Ф и г. 4.25. Конкурирующие реакции; состав системы соответствует формуле ВеНггт образования ВеР (г) отражается на содержании НР (г), который будет преобладать при несколько меньших температурах, вызы- вая ббльшие потери энергии в системах, в которых происходят эти конкурирующие реакции. - 00 и В «О Й го 00 .0 га аппп «опо попа температура, 'К гпоп попо «ооп яао Температура, 'к А энеРГетические хАРАктеристики РАкетных топлив 126 Вследствие малой теплоты сгорания магния во фторе продукты сгорания системы МпВеРа не содержат в сугцественных количествах МдРа (г) (фиг.
4.26). Влияние большей величины теплоты образования ВеР (г) будет слабым. 4!О в В 0 еаоо гаао 5000 еооа 5000 ТЕмаература, 'К Фиг. 4.26. Конкурирующие реакции; состав системы соответствует формуле МЕВеие. Состав продуктов реакции магниево-водородной системы МцНаРа (фнг. 4.27) вычислен с учетом образования МдРа (ж), чтобы оценить влияние конденсации. При более высоких темпе- 00 м ео ем 70 и о ОООО МШ ОООО Оооо Тем а тра тура, 'и Ф иг. 4.27. Конкурирующие реакции; состав системы соответствует формуле МЕНеге.
ратурах образуется НР (г), имеющий ббльшую термическую стабильность, причем теплота сгорания с образованием НР (г) выше. При более низких температурах преобладающим продуктом становится МдРа(ж), что обусловлено более высокой теплотой сгорания с образованием этого продукта и большей его стабильностью при температурах ниже 3300' К.
125 е энеРГетические хАРАктеРистики РАкетных топлив При сгорании в кислороде более интенсивно образуются окислы бериллия и алюминия вследствие более высоких теплот сгорания с образованием этих продуктов и стабильности конденсированных окислов. В присутствии этих металлов водород обычно не окисляется, так как вода имеет малую термическую стабильность. При сгорании в смеси кислорода и фтора при коэффициенте избытка окислительных элементов более ! преимущественно происходит реакция со фтором.
Некоторое отклонение от этого правила наблюдается в случае бериллия и алюминия вследствие высоких теплот образования и стабильности их окислов. 4.10. ВЫБОР РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ С ПРЕДЕЛЬНЫМИ ЗНАЧЕНИЯМИ УДЕЛЬНОЙ ТЯГИ Для обеспечения предельных значений удельной тяги топливо должно удовлетворять двум основным критериям. Энергетические характеристики топлива должны быть по возможности максимальными, а молекулярный вес продуктов сгорания по возможности минимальным. Для обеспечения высоких энергетических характеристик горючее и окислитель ракетных топлив должны обладать высокой теплотой сгорания и термической стабильностью компонентов продуктов сгорания.
Следовательно, поиски топлива с предельной удельной тягой ограничиваются двумя комбинациями. Максимальную теплоту сгорания обеспечивают бериллий в паре с кислородом, а самым термически стабильным продуктом сгорания является фторид лития, образующийся при горении фторлитиевых топлив. Для получения малого молекулярного веса продуктов сгорания они должны содержать значительное количество водорода. Оптимальное сочетание высоких энергетических характеристик топлива и малого молекулярного веса продуктов его сгорания можно получить при использовании трехкомпонентных топлив. Топлива этого типа впервые предложены автором 15, 61 в 1958 г.; параметры трехкомпонентных топлив позднее опубликованы Гордоном и Ли 12]. На основании вышеприведенных соображений об удельной тяге находим, что оптимальные трехкомпоиентные топлива должны иметь такой состав, чтобы тепловая энергия выделялась за счет образования основного компонента продуктов сгорания.
В двух указанных случаях основными компонентами продуктов сгорания являются окись бериллия и фторид лития. Водород добавляется в качестве разбавителя в количестве, необходимом для получения топлива с максимальной удельной тягой. Отношение мольного содержания разбавителя 4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ 127 к мольному содержанию основного компонента продуктов сгорания определяется в виде Число молей Нт и— Число молей основного компонента продуктов сгорания Можно представить, что кислородводородные и фторводородные топлива при сгорании образуют основные компоненты продуктов сгорания Нг (г) или НаО (г), а разбавителем является избыточный водород.
м 420 а Н 400 м ЗОО е й 3 ЗОО и Зио О с 2 з и б б 7 а нисло молеи и,) наело молей оснобного ллодунсаа сгооонил Ф и г. 4.28. Трехкомпонентиые топлива Ве — Ое — Не и В1 — Рс — Нс. На фиг. 4.28 показано резкое увеличение удельной тяги при образовании окиси бериллия и фторида лития в качестве основных компонентов продуктов сгорания по сравнению со случаями образования соответствующих соединений водорода. Предельную удельную тягу (45? Оек) имеет трехкомпонентное топливо кислород — бериллий — водород. Это обусловлено большим тепловыделением при относительно невысокой температуре в камере сгорания, благодаря чему продукты сгорания имеют высокую стабильность.
Указанное топливо превосходит по удельной тяге кислородводородное топливо на 66 сек. Применение озона вместо кислорода привело бы к увеличению удельной тяги до 473 сек, 123 л. энергетические хАРАктеРистики РАкетных топлив т. е. еще на !6 сек, однако этот окислитель в настоящее время не используется.
Трехкомпонентное топливо фтор — литий — водород имеет удельную тягу 436 сек, которая только на 24 сек выше, чем у фторводородного топлива '). Характеристики остальных многокомпонентных топлив приведены в табл. 4.2!. Применение лития в кислородсодержащнх или бернллия во фторсодержащих топливах приводит лишь к небольшому увеличению удельной тяги. Добавление бора к кислородсодержащим топливам также дает лишь небольшой выигрыш в удельной тяге.
Добавление бора к фторсодержащим топливам н алюминия к обоим типам топлив почти не улучшает удельной тяги. Таблииа 4.2! Трехкомпонеитные топлива с водородом или гелием в качестве разбавителей Топливо Рп сен Основной пролукт сгораннн ') Количество разбавнтсля нсазвсстно (ланныв взяты вз работы !2!). Смешанные литийбериллневые топлива имеют некоторые преимущества, если по каким-либо причинам необходимо использовать смешанные кислородфторные окислители, требующие со') Действительная разница удельных тяг трехкомпонентных топлив Оз — Ве — Нз и Рз — Ы вЂ” Н, меньше, так как в продуктах сгорания второго топлива содержится меньшее относительное количество конденсированной фазы и, следовательно, потери удельной тяги из-за отставания скорости и температуры конденсированной фазы от газообразной при прочих равных условиях будут меньше.
Меньшее количество конденсированной фазы обусловлено большим значением и в случае топлива Га — Ы вЂ” Нз и значительно большей летучестью основного продукта ЫГ Кроме того, намного легче осуществить подачу лития в камеру сгорания и обеспечить его полное сгорание во фторе.
Эти трехкомпонентные топлива имеют малую плотность, что является их крупным недостатком — !Трам. ред. Оз — Ве — Н2 02 — Ве — Нй о,— ы — н, о,— в-н, О,— А! — Н, Р2 — Ы вЂ” Нй à — Ве — Н Озду — Ве — )12 ОР2 — Ве — 1.! — Нй Рй — )-! — Не Гй — Н2 — Не 02 — Нй Г2 — Н2 ВеО Вео Ы20 нли ЫОН В202 или НВ02 А!20з 61Р Вера Вео+ Веря Вео+ ЫР 1.)Г НР но НГ 5,00 '1) 1) 1) 6,00 !) 4,70 5,10 1,50 0,79 0,98 0,66 473 457 405 402 392 436 416 445 441 404 412 391 412 4 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ 129 четания обоих металлов. В этом случае полученная удельная тяга будет находиться в интервале между двумя указанными предельными удельными тягами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
