Штехер М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1241539), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Одной из главных является задача сохранения водорода в жидком состоянии наиболее длительное время. При наличии хорошей теплоизоляции и возможно низкой температуры емкостей с водородом эта задача частично разрешается [рис. 3.2). Обычная теплоизоляция емкостей или трубопроводов, несущих жидкий водород, выполняется с помощью пенопластов, но ее действие, как правило, недостаточно, поэтому требуется постоянная подпитка емкостей жидким водородом. Несколько лучшие результаты дает применение одновременно с пенопластовой теплоизоляцией вакуумной изоляции по типу сосудов Дью- !Об ара. Еще лучшие результаты получают при использовании вакуумной изоляции с покрытием внутренних стенок вакуумированного пространства алюминиевой фольгой для увеличения от-' ражательной способности поверхности (рис.
3.3). По данным США, при заправке жидкого водорода в баки возможны испарения первых порций водорода, равных 1 — 1,5 объ- Рнс. 3.3 500-л>суровый экспериментальный сосуд для жидкого водорода: > †>ба и вентиль для заливки и слива жидкого азата; 7 †вентиль для жидкого водорода; Э вЂ тру для заливки н слива жидкога водорода: 4 — экран; б — тефлоновые упоры; б — изолируюжне опоры; 7-выпускник линия для азота, б — выпускная линия для волорода; 9 †предохранительн клапан для водорода: 70 †предохранительный клапан для азота; А †мес пайки алюминия с нержавеющей сталью емам заливаемой емкости [62). После заливки и охлаждения емкостей и систем питании нормальное испарение жидкого водорода обычно составляет около Зо>о. Но этот процент может резко увеличиваться при наличии самого незначительного подогрева. Как показывает практика эксплуатации жидкого водорода, подогрев жидкости на 2 — 3' С очень нежелателен, так как дает значительные потери компонента (до 25о>о).
Экспериментально установлено [621, что движение жидкого водорода через насосы ТНА сопровождается подогревом на 1,8 — 2,0', что составляет значительную величину, так как температура жидкофазного состояния водорода всего 6'. В процессе заправки жидкого водорода в баки возникает еще одна проблема — очистка баков от возможных посторонних примесей, влаги и воздуха, Воздух, и особенно влажный воздух, прн контакте с жидким водородом почти мгновенно конденсируется и застывает.
Значительное количество образовавшейся твердой фазы может привести к закупорке трубопроводов к насосам и вызвать чисто механические повреждения лопаток колес ТНА. Малые количества влаги могут вызвать примерзание различных клапанов и элементов систем управления работой баков. Посторонние примеси, такие как азот, метан, окись углерода, технологическая грязь, грязь от продувки баков, недопустимы. Особенно опасно попадание в бак с водородом газообразного или жидкого кислорода, который немедленно замерзает и опускается на дно баков. При этом образуется так называемая «гремучая смесь», способная взрываться при самом незначительном внешнем импульсе, например, при толчке бака. Поэтому необходима тщательная очистка баков перед заправ.
кой и удаление воздуха и других газов вакуумированием баков. В этих условиях наддув баков с жидким водородом должен выполняться только газообразным гелием. Шугообрвзный водород Шугообразный водород — это механическая смесь жидкого водорода с твердым водородом в виде льда, плавающего в жидком водороде. Образование шуги в водороде требует небольшого — до 0,7' С переохлаждения жидкого водорода. Если этот процесс растянуть во времени, начнется так называемое «старение» шуги.
Этот процесс необходим, так как образующаяся вначале шуга является пористой и имеет неправильную форму. В процессе старения шуга уплотняется, и ее кусочки приобретают шарообразную форму. Уплотнение шуги само по себе очень важно, так как прн этом увеличивается плотность водорода до 0,08— 0,087 г!см'.
Шарообразная форма твердых частиц нужна для обеспечения лучших условий течения шугообразного водорода по трубопроводам системы питания двигателя и через рабочие колеса насосов. Диаметр «шариков» может колебаться от 0,05 до 0,6 см и зависит от времени старения. Количество твердофазного водорода в жидком зависит от времени старения. За первые 5 ч образуется до 35»1о шуги, за последующие !Π— 12 ч это количество возрастает до 50Ъ, а после 100 ч может достигать 60 — 65»о от общей массы водорода. Ниже рассмотрены преимущества применения шугообразного водорода по сравнению с обычным жидким водородом: а) повышение плотности горючего от 0,077 до 0,087 и соответственно использования объема баков; 107 б) высокая скрытая теплота плавления (55,2 кДж!кг), увеличение степени поглощения тепла массой водорода и удлинение времени хранения; в) возможность применять обычную пеноуретановую тепло-.
изоляцию с толщиной слоя до 75 мм благодаря высокой скрытой теплоте плавления шугообразного водорода; г) сохранение текучести горючего, что позволяет нормально перекачивать по системам питания шугообразный водород, так же как обычный жидкий; д) возможность (как показывают расчеты) увеличения полезной нагрузки ракеты на 30 — 35с(с за счет уплотнения топлива при использовании шугообразного водорода.
Применение шугообразного водорода имеет и ряд недостатков, главные из них: а) увеличение времени стартовой подготовки ракеты из-за потребности определенного времени на старение шуги; б) необходимость организации рециркуляции шугообразногз водорода через баки и систему питания двигателя при заправке с одновременной фильтрацией — задержанием шуги в бакахдля накопления соответствующей концентрации массы, что усложняет систему и увеличивает время заправки; в) отсутствие надежных методов контроля за поведением образовавшейся шуги и ее распределением в баках при заправке; г) недостаточность сведений об условиях образования и эксплуатации шугообразного водорода на двигателе. Ниже приведены некоторые данные, полученные по американским источникам 162), подтверждающие рациональность использования шугообразного водорода на ракетных системах.
1. Для шугообразного водорода после заправки баков обязательно нужна организация циркуляции и дренаж, для нормального жидкого водорода это не обязательно. 2. Температура компонента на входе в двигатель для жидкого водорода 37 — 40 К, для шугообразного — около 25 К. 3. Удельный импульс с нормальным жидким водородом н кислородом составляет 425 — 442 с, для шугообразного водорода он равен 423 †4 с.
4. Оптимальная толщина слоя теплоизоляции для жидкого водорода должна соответствовать номинальной, для шугообразного — она может быть ниже. 5. Для наддува баков с жидким водородом требуется номинальное количество газа, для наддува баков с шугообразным водородом требуется количество газа, несколько превышающее номинальное. В опытах на ракете «Сатурн-5» было установлено, что в баки можно загрузить 23,0 т шугообразного водорода вместо 19,9 т нормального жидкого водорода. Оптимальное значение к для водородкислородного топлива равно 5,5, а для шугообразного (50а~о шуги) — 4,2. В то же время степень выкипания топлива 188 прн нахождении ракеты на старте для шугообразного водорода определяется в 0,44%, а для нормального жидкого водорода равна 3,04%.
Таким образом, из данных США, видно, что прлменение шугообразного водорода дает некоторые преимущества главным образом при эксплуатации, хранении шугообразного водорода по сравнению с нормальным жидким. Однако качество топлива несколько ухудшается в результате снижения оптимального к до 4,2, что приводит к уменьшению плотности топлива примерно на 16%, несмотря на увеличение плотности горючего за счет шугообразностн до 0,087 г/смз. физико-химические константы водорода Молекулярная масса........ 2,016 Температура застывания,..., .. 13,8 К ( — 2592' С) Температура кипения.......
Ю,24 К ( — '252,76' С) Температура критическая....... 32,9 К ( — 239,9T С) Давление критическое, кгс/смз...... 12,81 Плотность (при температуре кипения), г/см' .. 007097 Плотность (критическая), г/сма..... ОД810 Тройнан точка......... 13,3 К ( — 259,2'С) Давление в тройной точке, мм рт. ст.... ~54,0 Теплота образования, кДж/моль — газ (25'С) 0,0 Теплота образования, кДж/моль — жидкость (прн температуре кип.)......... 7,92 Теплота плавления (при Гз„,-), кДж/ моль ..
0,0965 Теплота испарения (",.:. /,.-), к/!ж,'моль .. 0,903 Тсплосмкость жидкости. кка чцыоль 'С при температуре застывания..... 3,3! прп (==( — 2532'С) 19,3 К...... 450 Козффянпент впзкостл !О "' сП; при температчрс кп-с« ~. 131 при температуре застывания .
. . . . 240 Давление упругости пара можно подсчитать по уравнению !др=4,66687 — 44,9569/Т+0,020537 Т)мм. рт, ст]. Молярный объем жидкости, м'/мол!к 24,747 — 0,08005 Т+ 0,012716 Т'. 3.2. УГЛЕВОДОРОДЫ В ракетных двигателях широко используются различные виды углеводородных горючих. К ним относятся продукты переработки нефти: керосин, лигроин и др., скипидар — продукт переработки живицы — сока хвойных деревьев. Эти горючие не являются индивидуальными веществами, и их физико-химические и эксплуатационные свойства зависят от группового состава. Групповым составом называют совокупность индивидуальных углеводородов, объединенных по химическим признакам: строению молекул, форме и количеству свободных связей, структурной формуле и т.
д. Продукты переработки нефти по групповому составу разделяютгя на углеводороды парафинового, олефинового н аром:* тического ряда. Таблица З.Л Теплопро- иэводитель- вость, МЛэи/и Плотность горючегоо г/с ма Плотность топлива, г/с ма Удель- иый импульс, и/с Горючее 3,15 10,0 8,7 7,75 1,09 1,03 1,00 0,84 0,80 0,79 2650 2480 2480 Керосин Спирт этиловый Спирт метиловый 1,5 1,25 Из табл. 3.3 видно, что нефтепродукты с кислородом увеличи. вают удельный импульс примерно иа 12'/о по сравнению со спир. тами. Плотность топлива на основе керосина выше, что объясня- 110 Общее количество индивидуальных углеводородов, входящих в состав этих групп, составляет около трехсот наименований.
Групповой состав продуктов переработки живицы сложен, в него входят индивидуальные углеводороды, объединенные в группы пиненов, лимоненов, терпенов и др. Товарное название продукта, представляющего собой смесь углеводородов эти» групп — скипидар. Спирты, в прошлом используемые в качестве горючего, представляют собой производные предельных или непредельных углеводородов, в молекулах которых один или несколько атомов водорода замещается на гидрокснльную группу. В ракетной технике наиболее широко использовались низшие спирты — этиловый, метиловый, фурфуриловый и др.
Онн являются хорошими охлаждающими компонентами и достаточно дешевы. Спирты н скипидар в современных условиях могут получать ся путем синтеза ряда углеводородов, получаемых нз нефти. Следовательно, нефть и ее производные надо рассматривать как исходный продукт для производства современных углеводородных горючих. По энергетическим характеристикам и эксплуатационным показателям углеводороды нефтяного происхождения заметно отличаются от спиртов и скипидара. Спирты как горючие компоненты топлива играли важную роль в начале развития ракетной техники. В настоящее время они уступили свое место керосинам, но окончательно своего значения не потеряли. Скипидар по своим показателям также стоит ниже керосинов и используется, главным образом, на ракетах ближнего действия как горючее, воспламеняющееся с НХОа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
