Штехер М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1241539), страница 12
Текст из файла (страница 12)
П группа. Соединения окислителей. Например, моноокись фтора ОГ, (ее еще называют дифторид кислорода), трифторид хлора С!Гм пентафторид брома ВТГИ перхлорилфторид С!ГОз н др. П1 группа. Соединения окислителя с горючим. Например, перекись водорода Н,ОВ хлорная кислота НС104.
1Ч группа. Соединения окислителя с нейтральным веществом. Например, азотный тетраксид или четырехокись азота Н,О„ трифторид азота 1~Р, и др. Ч группа. Сложные окислители — соединения окислителя с горючим и нейтральным веществом. Например, азотная кислота Н5)0,, тетранитрометан СХ40з. По применяемости современные окислители можно разделить на две группы: основные или широко известные и широко применяемые окислители и перспективные окислители. Число широко используемых окислителей сравнительно невелико, и их свойства нетрудно запомнить. Число же перспективных окислителей в последние годы значительно увеличилось и продолжает расти.
Часть перспективных окислителей уже входит в практику, некоторые еще находятся в стадии лабораторных исследований. Разделение окислителей на основные — широко применяемые и перспективные дает возможность подробно рассмотреть и запомнить их физико-химические и эксплуатационные свойства.
2.2. ОСНОВНЫЕ ОКИСЛИТЕЛИ К числу основных широко используемых окислителей относятся кислород, перекись водорода, азотная кислота, азотный тетраксид и смеси азотной кислоты и азотного тетраксида. Основные показатели этих окислителей приведены в табл. 2.1, а их внешняя и эксплуатационная характеристики рассмотрены ниже. Кислород Жидкий кислород, используемый в ракетных двигателях, является окислителем с высоким энергетическим уровнем, как видно из таблицы, он представляет собой жидкость со значитель- о о о О Ю ~О о о о М о о о Ф х й о о е о к х о х о о о Ю й о о х й~ о о, о о М 57 о о о о о о и о Р,'3 Ю Ю о о .О к Ю о о оо о ~ о ой А„З о 'о о о О к Ю $ о о ~ ~о ой о Ъ Ф о Ф о о о о А 3С Ф о о, о о Ф о о М Э о о '3 о Ф о й о Ф о ной степенью криогенности.
Жидкий кислород без запаха, в тонких слоях прозрачный, бесцветный, в толстых слоях имеет голубоватый цвет. Кислород получают из сжиженного воздуха. За счет небольшой разности температур кипения производится отделение кислорода (Т„=90 К) и азота (Т„„,=81 К). Запасы жидкого кислорода в атмосфере Земли огромны, но не безграничны, и в будущем может возникнуть необходимость добывать кислород иным путем или ограничить его использование. Кислород считается не токсичным, не ядовитым, но длительное пребывание в его атмосфере не рекомендуется.
Контакт с жидким кислородом может привести к обмораживанию. Например, прикосновение рукой к трубам, по которым течет жидкий кислород, может вызвать мгновенное примерзание кожного покрова руки к поверхности металла, результатом чего является длительно не заживающая рана.
Попадание жидкого кислорода на одежду может вызвать ее воспламенение, иногда со слабым взрывом, если одежда пропчтана маслами нефтяного происхождения. Попадание жидкого кислорода на пористые материалы (с последующей их пропит. кой), например, теплоизоляцию баков, может привести к взрыву этих материалов при наличии ударного или теплового импульса. Контакт жидкого кислорода с маслами нефтяного происхождения (солидол или тавот, автол, СУ и др.) всегда приводит к взрыву.
Все емкости и трубопроводы для жидкого кислорода перед заполнением должны тщательно обезжириваться и обезвоживаться. Жидкий кислород обладает хорошей текучестью, он способен проникать через очень малые зазоры и в силу этих свойств является хорошим смазывающим материалом для подшипников турбонасосных агрегатов. Кислород не является коррозионноактивным, и поэтому выбор конструкционных материалов не ограничен. Однако надо учитывать, что жидкий кислород — жидкость с высокой степенью криогенности, н ее контакт с конструкционным материалом вызывает так называемое «охрупчивание> материала.
Материал становится хрупким, теряет пластичность, ковкость н под нагрузкой сопротивляемость его падает. В качестве прокладочного материала при работе с жидким кислородом применяют фторопласты, винипласты, специальные сорта резины из нзопренового каучука.
Прокладки органического происхождения недопустимы, так как они могут воспламеняться. Лучшими металлическими прокладками являются свинец, чистый алюминий и медь. Транспортировка жидкого кислорода в небольших количествах (до !0 — 15 л) осуществляется в металлических сосудах 58 Дьюара (рис. 2.1). Для заправки баков ракет (до 3 — бт) кислород доставляется в баках-танках, построенных по типу сосуда Дьюара.
Для заправки ракет с емкостью баков в несколько десятков тонн н более используются специальные железнодорожные цистерны, но более целесообразно в таком случае иметь установку для производства жидкого кислорода и его хранилище в непосредственной близости от стартовой площадки и производить заправку баков через специальные трубопроводы. Баки хранилищ и баки ракеты для жидкого кислорода должны иметь надежную теплоизоляцню, ведь температура кипения жидкого ~кислорода почти на 200'С ни же нормальной температуры (288 — 293 К).
По условиям теплопередачи при такой разнице — — н~- температур во избежание кипе- †: и~ ния жидкого кислорода слой †1 — г теплоизоляции бака должен до- — (- -Г стигать 300 — 400 мм. Такая толщина теплоизоляцнонного слоя на баках хранилищ возможна, но на баках ракет недопустима из-за тяжести и низ- Рис. 2.1. Сосуды Дьюара кой прочности. Действующие в полете ракеты ускорения приведут к тому, что весь слой изоляции под действием сил инерции будет сорван с бака.
На практике обычно приходится ограничиваться минимально допустимой толщиной слоя теплоизоляции, которая обеспечивает минимальное испарение кислорода, обычно около 0,3 — 0,боло объема жидкости в час. Это значит, что в условиях длительного времени пребывания ракеты на старте нужно производить подпитку баков кислородом. При минимальной толщине слоя теплоизоляции, обычно около 65 — 76 мм, пристеночный слой кислорода находится в состоянии слабого кипения, а это приводит к снижению плотности жидкости.
Последнее. обстоятельство надо учитывать при расчете размеров трубопроводов, и поэтому рекомендуется принимать расчетную плотность жидкого кислорода, р Ю11 — 1ДБ 1'. ПР Р «б«Р Р ~ РЛ Р: зультате испарения при контакте со стенками «горячих» — «не захоложенных емкостей» бывают очень велики и иногда достигают полного объема бака. Жидкий кислород обладает очень высокой упругостью паров (см.
приложение). С увеличением температуры упругость пара значительно возрастает, и поэтому кислородные баки должны дренироваться в атмосферу. 59 Перекись водорода НтОа Чистая перекись водорода представляет собой бесцветную жидкость без запаха, обладаюшую вязкостью воды. Чистая перекись водорода обладает высокой плотностью 1,44 г/сма, малой вязкостью и высокой температурой замерзания (застывания) (Т,а=271,3 К).
Недостатком чистой перекиси водорода как окислителя является сравнительно высокая температура замерзания. Однако этот недостаток может быть несколько исправлен, если применять водные растворы, поскольку растворы перекиси водорода будучи двухкомпонентной системой НаОа — НяО имеют не точку, а некоторую область замерзания.
В зависимости от концентрации перекиси меняется не только температура замерзания, но и температура кипения и плотность, как это видно из табл. 2.2. Таблица 2.2 Т„„и Тиатт Концентрация перекиси, % Плотность, г7сна с 424,0 415,0 413,0 396,0 271,3 265,2 250,8 236,0 151 142 139,8 123,0 1,45 1,39 1,35 1,29 — 1,7 100 90 80 70 — 7,8 — 22,2 — 37,0 Изменение концентрации, разбавление перекиси водой, сказывается на величине удельного импульса тяги, обеспечиваемого окислителем.
Его теплопроизводительность заметно снижается, удельная тяга также снижается, но в меньшей степени чем теплопроизводительность: это объясняется улучшением газообра- 60 За счет упругости паров жидкого кислорода можно обеспечить наддув баков, закрывая или регулируя при этом дренажный клапан. Для гарантии безопасности нагрузки на стенки бак должен иметь предохранительный клапан. Баки н трубопроводы перед заполнением жидким кислородом должны продуваться горячим воздухом для полного удаления влаги, иначе возможны примерзания клапанов и другой арматуры. Кислород обеспечивает высокий удельный импульс тяги н является относительно дешевым окислителем: по пятибальной шкале стоимости его индекс равен единице.
Производственные возможности получения жидкого кислорода также довольно просты. Именно этими условиями определяется широта применения кислорода. зования за счет водяного пара. Растворы перекиси обладают свойством переохлаждаться на 1Π— 20'С ниже температуры замерзания, это, по-видимому, зависит от чистоты концентрированной перекиси. Замерзая, растворы перекиси водорода сжимаются и поэтому не разрывают емкостей, в которых находятся. В настоящее время известно несколько способов получения перекиси водорода. Наиболее часто применяется способ действия сильно разбавленных и охлажденных серной нли ортофосфорной кислот па перекись бария.
Реакция идет по уравнению ВаО,+ Н,ЗО4 ВаЯО + Н,О,. Нерастворимый сернокислый барий удаляется фильтрованием. Концентрированная перекись водорода обычно получается из водных растворов методом вакуумной перегонки. Токсические свойства и меры первой помощи при от р а в л енин.
Перекись водорода слабо токсична, попадание ее на кожу вызывает побеление и ощущение ожога, однако вскоре эти явления проходят. Поражение кожи не сопровождается нагноением, проникновение в кожу не вызывает отравления. Пары перекиси водорода вызывают слезотечение и ожог глаз, раздражение слизистой оболочки носа, горла, насморк и обильное выделение мокроты. При длительном воздействии паров наблюдается появление крови в мокроте. Предельно допустимая концентрация паров перекиси водорода в воздухе 0,01 мг/л. Большие концентрации перекиси водорода в воздухе вызывают заболевание глаз и печени. Работающие с перекисью водорода должны периодически проходить медосмотр.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
