Штехер М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1241539), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Сохранение формуемости существенно ухудшается с увеличением доли окислителя и уменьшением доли горючего, так как при этом ухудшается слипаемость— адсезия, поскольку этим свойством обладают, главным образом, горючие элементы топлива.
Классификация смесевых топлив Современные смесевые ракетные топлива принято классифицировать в зависимости от вида окислителя. Они могут быть разделены на две основные. группы, 1. Смесевые на основе, нитратов — солей азот~ной кислоты. 2. Смесевые на основе перхлоратов — солей хлор~ной кислоты. В состав первой группы входят е~стественные окислигелп— селитры:,натриевая, калиевая и нитрат аммония. В состав второй группы, входят перхлораты калия, натрия, аммония, лития и др. Б зависимости от вида окислителя.заметно меняются свойства и энергетические пока~затели смесевого топлива. Например, заметно изменяется плотность, кислородный баланс, гигроскопимность, ниже это будет показано на конкретном примере.
44. ОКИСЛИТЕЛИ СМЕСЕВЫХ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ В состав,смесевых топлив входят два основных вида неорганических окислителей, это соли азотной и хлорной кислот — нитраты и перхлораты. Рассмотрим их раздельно. Нитраты Широко используются калиевая (КНОз) нлн натриевая (5)аг(Оз) селитры и,нитрат аммония (5(Н4510з). Это твердые кристаллические ввщества, весьма,гигроскопичные,,со слабым характерным запахом. Нитраты калия и .натрия (селитры) имеют среднюю плозность около 2,1 г/см"', температуру плавления 579 †6 К (306— 333' С), отпюсительную долю кислорода от 47,5 до 56,4%.
Нитрат аммония имеет меньшую плотность, равную 1,7 гаем", температуру плавления 442 К (169'С), что значительно ~ниже, чем уселитр, относительную долю кислорода -60%. Сильное нагревание нитратов калия н натрия сопровождается их разложением по схеме 2ЭНОз — ~-2Э740з+ Оз Термический распад нитратов (с отщепленнем окислов азота) наступает лишь при температурах порядка 1073 — !273 К (800 — 1000' С).
Освободившийся кислород используется для сжига~ния горючих связок твердого топлива. Выход свободного 1бб кгзслорода в очень большой степени зависит от температуры,при которой протекает реакция, и может колебаться в зависимости ет схемы реакции, например, разложение нитрата аммония может идти по двум схемам с резкой разницей в количестве освободившегося кислорода: !. МН4ХОз 2Н О+На+0,50з ( 20~4 Оя); !!. 5(Н,ЫО, 2Н, (-й),-1-1,50з ( — 60~~! Оз)' Последняя реакция дает и большее газообразование за счет свободного водорода. Селитры озгень гигроскопи ~ны, они способны поглощать и накапливать влагу воздуха в количествах, превышающих в нескслько раз собственную массу. Селитры, не изолированные от впеш~ней среды, мечут расплываться и превращаться в раствор.
При сгорании твердых топлив на основе селитр образуется дым, в составе которого имеются вещества в твердой фазе — газообразование мало. Калиевая и натриевая селитры обладают ~низкой коррозгонной активностью, которая увеличивается с повышением гигроскопичности.
Обычно с этими окислителями как дешевыми материалами изготовляются твердые топлива для изделий массового применения - ракет ближнего боя,,поэтому,в качестве копструкционного материала приходится пользоваться дешевыми марками стали, при этом необходимо применять коррозпонпую задпиту. Сс:щтры слабо токсичны при вдыхамии паров и в большей стгпени при непосредственном воздействии.на кожу.
Н и т р а т а и и о н и я ХН4МОз — самый дешевый окислитель, производится в очень больших количествах методом синтеза, в ка шстве сырья используется воздух. Широко используется в сельском хозяйстве в качестве удобре~ния. Плотность нитрата аммония 1,7 г/сиз, температура плавления 442 К (169'С). Как уже было показано, разложение нитрата может дать от 20 до 60Т,, кислорода в,зависимости от схемы реакции. Таким образом, в некоторых случаях при ~неблагоприятном ходе реакции его окпслнтельная споообность резко сокращается.
Газообразование нитрата аммония выше, чем других нитратов, за счет водяных паров и свободного водорода в продуктах реакции. В то же время, нитрат аммония при температурах 305 К (32' С), 357 К (84' С), 398 К (125' С) и 443 К (170' С) выделяет твердофазные продукты сгорания, которые и приводят к снижению удельного импульса тяги. Смешение нитрата аммония с нитратом калия дает заметное снижение выделения твердофазных продуктов сгорания.
Нитрат аммония весьма гигроскопичен, не ядовит и почти не обладает коррозионной активностью. 156 Перхлораты Перхлораты, соли хлорной кислоты, как правило, обладают лучшим окислительным потенциалом, чем ннтраты, например, перхлорат калия дает 46о1о Оз, разлагаясь по схеме 2КС10 2КС)+ 202. В практике используются перхлораты калия (ПХК), натрия (ПХН), аммония (ПХА), лития (ПХЛ) и др.
Их плотность и температура плавления указаны в табл. 4.3. Таблица 4.3 Кислородный баланс, % Плотность, тусмз Температура плавления, К Название чзорнула 46,0 52,0 54,0 60,0 66,5 843 †8 -753 513 509 393 раааа~весси 373 разлагается 2,52 2,5 1,95 2,43 2,22 КСЮ, МзС10, !ны;СЮа 1.1С!0„ МОвС10, Перхлорат калия Перхлорвт натрии Псрхлорат анноння Перхлорвт лнтн ~ Перхлорат ннтроння 2МОС10, Нитрознл 157 Внешне перхлораты представляют собой кристаллическневещества, слегка окрашенные в желтоватый цвет со слабым запахом хлора.
Все перхлораты довольно гигроскопичны и слабо токсичны. Поведение на двигателе различно. Так перхлораты калия и натрия в продуктах сгорания имеют в газофазной форме НС1, который с влагой воздуха образует соляную кислоту. Продукты сгорания названных перхлоратов, кроме соляной кислоты, содержат твердые частицы КС! и б!аС1 и образуют токсичный и коррозионноактивный дым.
В составе продуктов сгорания перхлората аммония нет твердой фазы, его газообразование выше, чем перхлората калия или перхлората натрия. Но окислнтельная способность перхлората аммония ниже и зависит от температуры горения. Перхлорат лития обладает более высоким газообразованием, высокой теплотой сгорания, продукты его сгорания имеют низкий молекулярный вес и достаточно высокую токсичность из-за наличия в их составе !.1(ОН).
Получение перхлората осуществляется разными путями, так перхлорат натрия получается электролизом НаС1, перхлорат калия — методом обмена КС1+ +!х)аС10,, перхлорат лития — при осуществлении реакции ИН„С!04+) !(ОН) и т. д. Перхлорат лития каталитически очень чувствителен к наличию следов железа или пыли. Энергетические показатели окислителей ТРТ. Для получения наибольшего удельного импульса необхо димо, чтобы количество окислителя превышало количество го рючего в современном твердом ракетном топливе приблизитель. 6„88 но в 7,3 раза, т.
е. должно быть в отношении »= — "=- —- а„,т 12 В то же время по физическим свойствам, обеспечивающим нормальную формуемость баллиститных и смесевых зарядов, соот- 6,« ношение окислителя к горючему берется в пределах Г1„„„ 5 4 — — — т. е. количество окислителя болыпе, чем горючего, 3 3 только в 1,7 — 1,3 раза. В наилучших смесевых современныхтопа„„ линах соотношение †"' обеспечивает от 40 до 60'4 потребного ~гор количества кислорода, но при этом обеспечивается формуемость и стабильность заданной формы.
Указанные обстоятельства и являются причиной большой дымности при сгорании твердых топлив. В ряде случаев дымность демаскирует старт и полет ракеты, но самое неприятное заключается в заметном снижении удельного импульса тяги. Для увеличения удельного импульса нужно поднять кислородный баланс топлива, однако это нельзя сделать простым увеличением относительной доли окислителя, так как будет потеряна формуемость.
Для увеличения кислородного баланса имеются следующие возможности. 1. Изменять состав горючей части топлива, подбирая ее таким образом, чтобы и в составе горючей связки был кислород. 2. Изменять физическую структуру твердого ракетного топлива, переходя к структуре золя, геля или бесформенной «каше- образной» структуре. 3. Изменять тип двигателя — переходить на так называемые «гибридные двигатели», т. е.
двигатели, использующие заряды смешанного фазового состояния. Например, двигатель несет заряд твердого горючего в камере сгорания, а окислитель используется жидкий и подается в камеру через форсунку насосным агрегатом. Остановимся коротко на характеристике указанных путей. Подбор горючей связки, несущей в своем составе дополнительный окислитель и обладающей хорошей адгезией, в настоящее время возможен, но для этого требуется выполнить ряд условий: необходимо, чтобы в состав горючей связки входил кислород, чтобы связка обладала соответствующей плотностью и прочностью, чтобы обеспечивалось высокое газообразование. К числу таких связок относятся некоторые фторопласты, которые кроме того обладают хорошей реакционной способностью при введении в топливо металлических добавок для повышения 158 его плотности, температуры сгорания и в конечном счете удельного импульса.
Использование волей, гелей и кашеобразной структуры твердого топлива для увеличения кислородного баланса — пути давно известные, но очень мало разработанные. Повышение процентного содержания окислителя в любом из известных твердых топлив может привести к потере формуемости, и в этом случае возможно образование структуры, напоминающей «кашу». Того,, да возможно увеличение — '' до 2 — 3, но это значение еще ог р далеко до достижения оптимального 1 д, а нарушение формуемости потребует полной переделки конструктивных форм двигателя, что создает неоправданные трудности в применении этого решения.
Переход к волям и гелям обещает хорошие результаты, но тут нужна еще серьезная и длительная исследовательская работа. Переход к двигателям, в камере сгорания которых находится заряд твердого горючего, а окислитель в жидком состоянии подается в камеру через форсунки насосным агрегатом, требует новых конструктивных решений и специальных исследований условий сгорания, смесеобразования, взаимного расположения компонентов в камере и создания совершенно новой схемы двигателя. 4д. горючив смвсввых твирдых топлив Горючие вещества, входящие в состав твердого топлива, органического происхождения и по своей структуре могут быть твердыми, аморфными, пластичными и сыпучими.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
