Штехер М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1241539), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Основное жидкое ракетное топливо (ОЖРТ)— жидкое ракетное топливо (ЖРТ), служащее для получения всей нли основной доли тяги. В ЖРД обычно применяется только одно топливо, которое используется и для вспомогательных целей, например, для питания агрегатов насосной подачи, устройств для создания управляющих усилий и моментов. Вспомогательное жидкое ракетное топливо (ВЖРТ) — жидкое топливо, отличное от основного и применяемое только для вспомогательных целей, например, для образования продуктов газогенерации, которые выбрасываются помимо основной камеры сгорания.
Массовый расход трпл ива ЖРД вЂ” масса топлива, расходуемого при работе-ЖРД в единицу времени. Объемный расход топлива ЖРД вЂ” объем топлива, расходуемого прн работе ЖРД в единицу времени. Соответственно можно рассматривать массовый расход окислителя или горючего ЖРД. Удельный импульс тя ги ЖРД вЂ” отношение тяги ЖРД к расходу топлива. Глава 1 ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ 1.1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ В современных ракетных двигателях кинетическая энергия струи, истекающей из сопла и обеспечивающей тягу двигателя, может быть получена в результате преобразования химической, атомной (ядерной), электрической или других видов энергии.
Наибольшее практическое значение имеют ракетные двигатели, использующие химическую энергию топлива. Двигатели, работающие на жидком, твердом и разнофазном химическом топливе, могут применяться на ракетных установках различного назначения. Химическое топливо широко используют и для двигателей ракет, обеспечивающих запуск искусственных спутников земли, а также направляемых к Луне, Венере, Марсу и в глубины Солнечной системы. В ракетных двигателях, использующих химическую энергию жидкого или твердого топлива, в камере сгорания протекает реакция горения (или разложения).
Выделяющееся при этом тепло нагревает продукты реакции — газы, и они, расширяясь, истекают через сопла двигателя с большой скоростью, создавая тягу. В ядерно-ракетных двигателях тепло выделяется в результате деления ядер. Рабочее тело, протекающее через тепловыделяющие элементы реактора — камеры, воспринимает это тепло, расширяется и истекает через сопла с большой скоростью, создавая тягу. В электротермических двигателях вследствие взаимодействия заряженных частиц и магнитного поля происходит нагрев нонизированного газа — плазмы до очень высоких температур.
При расширении и истечении плазмы из сопла за счет кинетической энергии струи создается тяга двигателя. Во всех рассмотренных случаях химическая, ядерная или электрическая энергия превращается в тепловую и затем в кинетическую энергию газового потока. Поток истекающих из сопла газов — продуктов химической реакции или специального рабочего тела — теплоносителя, наконец, поток плазмы или ионов, создает тягу ракетного двигателя. Такова общая схема преобразования энергии в ракетныхдвигателях, использующих химическую, ядерную или электрическую энергию в качестве первоисточника.
В настоящем учебном пособии рассматриваются источники энергии только химических н ядерно-ракетных двигателей. Е2. ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ХИМИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ Химические источники тепловой энергии, использующиеся в ракетных двигателях жидкого и твердого топлива, весьма разнообразны. Но, во всех случаях можно считать, что тепловая энергия выделяется в результате химической реакции, протекаюгцей между компонентами топлива по схеме: компоненты топлива, продукты сгорания+тепло. Химические реакции, протекаю~цие в ракетных двигателях, в зависимости от величины выде,тяющейся энергии можно разделить на три основные группы.
1. Реакции разложения (35). Это группа реакций кс наимень шнм энергетическим уровнем», в среднем около 2,515— 3,35 МДж/кг топл. (600 — 800 ккал/кг топл.). Ряд химических веществ, образующихся с поглощением энергии (эндотермнческие вещества), при последуюшем разложении выделяет часть или всю энергию, затраченную на их образование. К таким веществам относятся ацетилен, азид свинца, азид аммония, окись азота, озон, перекись водорода, гидразин, гремучая ртуть и др.
Большинство этих веществ взрывоопасно и в ракетной технике из-за этого яе применяется. Техническое применение в ракетной технике находят НЛОЛ— перекись водорода, 512Нл — гидразин, (СНЛ)ЛЫ вЂ” (ЧНЛ вЂ” диметилгидразин и др. Ниже приведены реакции разложения этих веществ. НлО,--НЛО-,'-1!20л+ 2,85 кг топл. НЛН,-1 1/3 )4Н, + 1!ЗКл — '4,85 кг топл. (Ч, + 2С+ ЗНЛ+ 0,84 (СН,)л Н вЂ” 1ЧН, ,+« , '«' +',' кг топл. Реакция развивается в результате контакта с катализатором нли воздействия теплового импульса. Приведенную схему реакции разложения диметилгидразина (ДМГ) надо рассматривать как одну из возможных частных форм этой реакции. Экспериментально установлено, что разложение ДМГ зависит от температуры и протекает в очень сложной форме сопряженных реакций с различным количественным выходом продуктов разложения н соответственно разными значениями конечного теплового эффекта.
Наиболее освоенной является реакция разложения перекиси водорода, которая широко применялась в качестве рабочего тела на вспомогательных ракетных двигателях-ускорителях нли в парогазогенераторах для приведения в движение газовых турбин турбонасосных агрегатов ракетных двигателей. Из приведенных примеров видно, что реакции разложения обеспечивают сравнительно небольшое энерговыделение (тепло- выделение). Использование таких источников энергии на основных тяговых двигателях нецелесообразно нз-за малых значений удельного импульса тяги (1450 †!950 м/с), но рационально в газогенераторах турбонасосных агрегатов в связи со значительным газообразованием и сравнительно низкими температурами. 2.
Реакции окислительно-восстановительные [35). По своему энергетическому уровню они значительно выше реакций первой группы и обеспечивают тепловыделение в среднем от 8,35 до 12,5 МДж/кг топл. Окислительно-восстановительпые реакции имеют наибольшее практическое значение для современных химических ракетных двигателей на жидком, твердом и смешанном топливе. В окислнтельно-восстановительных реакциях может участвовать очень большое количество элементов; протекают эти реакции приблизительно по такой схеме: горючее+окислитель — ~-продукты реакции+тепло или горючее+ восста повитель-+продукты реакции+ тепло. Приведем несколько конкретных примеров.
А. Реакции окисления 1. Бензол (С~Н6) +кислород (7,50з) ~ — «-углекислота (6СОг)„,+водяные пары (ЗНхО)„,+9,5 МДж/кг топл. (2225 ккал/кг). 2. Литий (1л),„+фтор (1/2Г) . фтористый литий 1лр„,+ +14,3 МДж/кг топл. (3415 ккал/кг). Б. Реакция восстановления Окись углерода (СО)„,+водород (ЗН2)„,— ~-метан (СН4)„„+Н20+6,0 МДж/кг топл. (1440 ккал/кг). Для жидких (однокомпонентных) топлив, в которых окислитель находится в связанном состоянии (например, с азотом) и при распаде соединяется с другими элементами с выделением тепловой энергии, реакция может быть записана в такой форме: нитроглицерин (4СзН5(ОХОа)а — +углекислота (12СО2)+ +водяные пары (!ОН,О)+азот (6Хг)+кислород (0~)+тепло+ +6,22 МДж/кг топл.
(1485 ккал/кг). !о Для твердых (однокомпонентных) ракетных топлив, где окисгитель (кислород) также находится в связанном состоянии н вступает в окислительно-восстановительную реакцию после соответствующего импульса (воспламенение от постороннего источника), реакция, например, для простейшего твердого топлива, состоящего из селитры, серы и угля (СцН~Π— условнаяформула), может быть записана в такой форме: 74 КХО,+32 8-(-16С,НзО==56СО,+14СО-'-,— + 3 СН~ + 2 Н,8 —, 4 Н, + 35К, + 10 К,СО, + 7К,80, + + 2К,8+ 8К,8,0, + 2КС5(8+ (5)Н,) СО, + С !- 8. Тепловыделение этого твердого топлива не превышает 2,78 МДж/кг топл.
(665 ккал/кг), удельный импульс около 1670 м/с (170 с). Сравнивая тепловыделение этой группы реакций и реакций разложения, можно отметить, что энергетический уровень здесь выше в 2 — 1,5 раза. В ракетной технике топлива с окислительно-восстановительными реакциями используются очень широко; перечень таких топлив очень велик и разнообразен. В большинстве случаев окислительно-восстановительные реакции протекают при участии двух компонентов топлива — окислителя и горючего, которые раздельно хранятся и подаются нз баков в камеру сгорания двигателя.
Эти топлива называются топливами раздельной подачи или двухкомпонентными. Топлива, в которых окислитель находится в связанном состоянии с горючим компонентом, называются однокомпонентными, они могут быть жидкими илп твердыми. 3. Реакции ассоциаци)! — реакции, протекающие между так называемыми свободныЫ(! радикалами [35, 40]. Эта группа реакций для ракетных двигателей является теоретической, практического значения пока не имеет, а по энергетическим уровням в ряде случаев является весьма перспективной. Реакции прог= кают по схеме: свободные радикалы или вещества в атомарном (не устойчивом) состоянии — ~молекулярное (устойчнвое) состояние ве!цества+тепло. В качестве примеров рассмотрим реакции с;томарным водородом, кислородом и фтором. Водород: Н-!-Н вЂ” Н,+215 МДж/кгтопл. (51300 ккал/кг).
Кислород: 0-1-0--0.,+15,4 МДж/кгтопл. (3640 ккал/кг). Фтор: Р+Р- Р,+8,1 МДж/кг топл. (1930 икал/кг). Из приведенных примеров видно, что тепловыделение реакции с водородом на порядок выше, чем у любой окислительновосстагювительной реакции. Тепловыделение реакции с кислородом находится на верхнем пределе окислительно-восстановительных реакций, со фто- ром — значительно ниже реакций первой группы. В современных условиях человек еще не научился дешево и просто получать и надежно сохранять вещества в атомарном состоянии, поэтому этот вид реакций является пока гипотетическим. Свободные радикалы химически очень активны, время «жизни» свободных радикалов, т. е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
