Штехер М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1241539), страница 3
Текст из файла (страница 3)
время, в течение которого они не вступают в реакцию, очень мало — от 10-а до !О-' с. Именно поэтому свободные радикалы таких веществ как водород, кислород, азот и др. не встречаются в свободном состоянии и пока не могут быть использованы в качестве пакетного топлива. ПЗ. ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ЯДЕРНО-РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Способы получения ядерной энергии описываются в специальной литературе.
Остановимся на этом вопросе очень кратко и в самом общем виде, чтобы получить сравнительную оценку с источниками химической энергии, широко использующимися в современных ракетных двигателях. Источники ядерной (атомной) энергии очень перспективны для ракетных двигателей, но еще далеки от широкого практического использования. Известны три пути получения ядерной энергии — естественный радиоактивный распад ряда веществ, искусственная цепная ядерная реакция н искусственная термоядерная реакция. Первый путь — естественный радиоактивный распад практически используется для нагрева рабочего тела в микроракетных двигателях. Энерговыделение при естественном распаде радиоактивных изотопов используется в космических аппаратах для получения электрической энергии.
В термоядерной реакции энерговыделенне очень велико— например на 1 кг дейтерия, превращающегося в гелий, можно получить 0,68 10' МДж/кг (162.!0' ккал/кг) и удельный импульс тяги около 24,5.10' м/с (2,5Х10' единиц). Но в настоящее время для начала термоядерной реакции нужны очень высокие температуры, порядка 210' К, таких источников пока нет, и управление термоядерной реакцией остается нерешенной технической задачей. Третий вид ядерной реакции — цепная реакция деления тяжелых изотопов урана сейчас практически осуществляется в стационарных энергетических установках, в судостроении, делаются успешные попытки использования ядерной реакции в ракетных двигателях.
Энергетический уровень ряда цепных реакций весьма высок, что видно из следующих примеров. Реакция синтеза -- термоядерная. 1.!+Н' 2Не„+2,13 10' МДж/кг топл. !51 10' ккал/кг.) Тепло, выделяющееся при этой реакции, эквивалентно теплу, выделяющемуся при сгорании 5000 т керосина.
При обычном !2 !.4. ОБЩАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ТОПЛИВ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В состав химических топлив современных ракетных двигателей входит широкий круг веществ. Перечень веществ продолжает расширяться. Химическое тпллидп зкидкпе Тдердпе Тазопдзазное СРТ г~~ппдраз- нпе и мидкое СРТ и дердпе и мидкпе пднпкомоп- ненп~нпс с кисторпдным окиссигоснем ДВуккпмнп- ненн нпе !газ т газ/ l жидкое однпкомпо- нентнпе пднокомоонснтпнсс с дес- гкисяоройюм ддпхкпмоп- кснтннпе самодпспяа- мсняющсеся ддухкпмлонентнос несамодослоаз меняющееся ик омаонпе Рис. Ь!. Классификация химических топлив СРТ вЂ” смсшаииос ра кстиос топливо В общем виде классификация современных химических топлив показана на рис. !.1.
Химические топлива делятся прежде всего по фазовому состоянию на газообразные, жидкие и твердые. Каждая из этих форм различается по своим признакам, например по характеру химической реакции или по типу применяемого окислителя. сжигании лития в кислороде !2Ь1+1/20а Ь1аО+20 МДж/кг топл.) выделяется около 4800 ккал/кг, что только в 2,2 раза больше, чем при сжигании 1 кг керосина в кислороде. Реакция деления — цепная, ядерная Ызва+и Хе+Сг+8,36 10' МДж/кгтопл.
(20 10аккал/кг урана) н соответствует удельному импульсу тяги 12350 м/с. Это количество тепла эквивалентно теплу, выделяющемуся при горении 1300 т керосина. Для практического осуществления ядерной реакции деления тяжелых изотопов урана Ыааз, Ыааа и плутония Рца'а необходимо наличие так называемой критической массы. В условиях ядерно-ракетного двигателя необходимо управлять скоростью реакции, а это создает большие технические трудности.
Газообразные химические топлива ракетнг)гх двигателей удобно разделить на две основные группы. 1. Атомарные топлива, или газы на основе свободных радикалов,— топлива будущего, использующие энергию реакции ассоциации. Згот вид топлив в современных двигателях пока не применяется. 2. Газообразные топлива с кислородным или другим окислителем, использующиеся в окислительио-восстановительных реакциях. Топлива этой группы широко применяют для наземных испытаний или технологических отработок ракетных двигателей. Сюда относятся также горючие газы, водород, окись углерода, метан и др.
Жидкие химические топлива ракетных двигателей отличаются друг от друга числом компонентов. Однокомпонентные жидкие топлива включают индивидуальные топлива, или взрывчатые вещества, например нитроглицерин, нитробензол, метил нитрат, и смеси или растворы окисляюших и горючих веществ, например азотный тетраксид ((ча04) и спирт (СНаОН) или перекись водорода (НеОа) и гидразин (ХеН,). Развитие реакции горения в этом случае должно обеспечиваться применением специального катализатора*.
Двухкомпонентные жидкие химические топлива, состоящие из двух раздельно подаваемых в камеру сгорания компонентов — окислителя и горючего, делят иа самовоспламеняющиеся и несамовоспламеняющиеся. Обе эти группы очень многочисленны по своему составу и могут использоваться с самыми различными окислителями. По составу отдельных компонентов это могут быть индивидуальные вещества, их смеси или растворы, иногда весьма сложные. Для сжигания двухкомпонентных несамовоспламеняющихся топлив необходимо применять специальное зажигающее устройство.
Твердые химические топлива ракетных двигателей — многочисленная по своему составу группа представляет собой однокомпонентное топливо и состоит из окислителя и горючего, смешанных механически или являющихся твердым раствором. В современных условиях принято разделять твердые топлива на баллиститные — коллоидные, являющиеся твердыми растворами, и смесевые, являющиеся механическими смесями твердых окислителей и горючих с различными специальными присадками. Основным окислителем является кислород, но могут использоваться и фтор или его производные. В качестве горючего в этой группе наиболее широко применяются металлы, пластмассы, каучуки, целлюлоза и др. Современные ракетные топлива, разделяющиеся по фазовому состоянию на газообразное, жид- * Однокомпонентнмс жидкие топлива в иностранной литературе наамвакгт «моннергольм 14 кой и твердое, имеют промежуточные формы, так называемые смешаииые или разиофазиые.
,В иностранной литературе зти формы получили ие совсем удачное название «гибридные топлива». Это двухкомпоиеитиое топливо, в котором один из компонентов может быть жидким, твердым или газообразным. Существуют топлива смешанного фазового состава, когда окислитель — газ (фтор или кислород), а горючее — жидкость (керосии, спирт и т. д.) или, наоборот, горючее — газ (метаи), а окислитель — жидкий кислород *. Существуют и другие методы классификации современных ракетиых топлив, например по характеру химической реакции (окислительиая или восстановительная), по форме подачи в двигатель (раздельиая или объединенная), по системе воспламеиеиия (самовоспламеияющиеся или иесамовоспламеияющиеся) и т.д.
Кб. ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ТОПЛИВУ Современные ракетные топлива должны удовлетворять большому числу технических требований. Выдвигая технические требоваиия к топливу, необходимо прежде всего хорошо знать иазиачеиие и условия работы двигателя, для которого выбирается топливо или рабочее тело. Так, например, условия работы ракетного двигателя в космосе или ракеты дальнего действия заметно отличаются от условий действия зенитной ракеты или ракеты ближнего действия. Совершенно специфические условия возникают при работе ядерно-ракетного двигателя или ракетной установки с подводным стартом.
Для двигателя ракеты космической или дальнего действия можно использовать весьма токсичпое вещество, а ракеты с такими двигателями запускать со стендов, хорошо оборудованных и приспособленных к специальным условиям работы (что тре- Г>уется для токсичных топлив). Для космической установки выброс токсичных продуктов вообще ие имеет решающего значения. Применение токсичных топлив для установок массового использования с малообучеииым или неквалифицированным персоиалом, или в условиях контакта с людьми недопустимо. Требования к топливу химических ракетных двигателей делят на три основные группы.
В Требования к топливу как к источнику энергии. П. Требования к топливу как к веществу, используемому для охлаждения двигателя. Топливо смешанного фазового состава, имевшее >валкий олислител> и твердое горючее или наоборот, в иностранной литературе называют <литсрголь» илн «гибридное топливо», например, горючее — графит, окислитель— азотный тетраксид или перекись водорода — окислитель, твердое ракетное топливо — горючее. 1П. Требования к топливу как к веществу, находящемус» в эксплуатации вне двигателя, например на складе, на испь|тательном стенде, на ракете. Это разделение не строго, но очень удобно для запоминания.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
