Штехер М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1241539), страница 42
Текст из файла (страница 42)
Все элементы этой системы для расчета удобно представить через парциальные давления, при этом можно получить одно дополнительное уравнение — сумма парциальных давлений продуктов сгорания равна давлению в камере, а оно известно.
Вначале составим уравнения возможных реакций диссоциации, принимая, что конечный продукт является продуктом диссоциации: СО+ 1!20х = СОх; (1) Н, ~~ 2Н; (4) Нх+ 1720х=НхО; (2) Ох ~~ 20; (5) 172Нх+ ОН = Н,О; (3) Х,+0,~~2ХО. (6) Константы равновесия, выраженные через парциальные давления для этих реакций могут быть представлены следующими уравнениями, которые будут входить в систему расчетных: о,о о Рсоро', Рн Кр,—— (1) Кргч = — ' (4) Рсо, Рн, !88 Уравнения материального баланса для отдельных вешеств в принятой системе расчета должны быть записаны с помощью парциальных давлений. Тогда в соответствии с принятой схемой материального баланса ~ ~Р~В' р 1Рсо, + Рсо) Ргкл (7) С вЂ” а— > Рк РкРпр.сг ппР~н~ пр сг ( Рно+ Рн» + Рон+Рн) рпрсг Э Рк Рк сп~ Ргоепр сг О=с= Рк 1 Рсо, +Рсо+~ н,о+ Роя+ Рно+ Ро, +Ро)~'пр.сг Рк 2 Рр~рпр.сг ( РН„+ РЬО) гсср.сг 11О) Рк Рк Дополнительно к этим уравнениям используем уравнение суммы паРцнальных давлений в камеРе сгоРаниЯ ~~~~~ Р,=Рк или Рк = Рсо, + Рсо+ Рн,о+ Роя+ Ро, + Ро+ Рно+ Рк, + Рн + Рн, +Рн.
111) Далее методика расчета повторяется в том же порядке, как и в расчете без учета диссоцнации. 1. Выбираются три значения ожидаемой температуры сгора- НИЯ Тк' 7к! Гк. 2. Для выбранных значений Тп из таблиц берут значения констант равновесия от Крг до Крчь 3. Пользуясь системой уравнений (от 1 до 1!), подсчитывают парциальные давления всех компонентов продуктов сгорания. 4. По найденным парциальным давлениям компонентов продуктов сгорания подсчитывают значения энтальпни у„' 7, 7„ для выбранных значений 7','; 7„'; 7„ 5.
Строят график 1=)(Тк) (см. 4.11), на который наносяттри значения энтальпин по трем значениям температуры. 6. Подсчитывают энтальпию топлива при температуре двигателя до запуска по формуле гт= ~' 7Ж=уссп+ гнЬ+гог+гнз где значения относительных долей компонентов топлива обычно известны или соответствуют индексам а, Ь, с, г! в условной фор.
189 муле, а значение 1; энтальпии ~'-го компонента берется из таблиц физико-химических констант компонентов. 7. Пользуясь условием, что энтальпия топлива равна энтальпии продуктов сгорания в камере при истинной температуре, откладываем на графике рис. 4.П 1„,„и находим Т„истинную. 8. Для найденной Т „весь расчет повторяют и, таким образом, определяют истинные значения концентраций компонентов, их парциальные давления и остальные параметры, необходимые для термодинамического и газодинамического расчетов двигателя.
Глава б СПБЦИАЛЬНЫВ ВИДЫ ТОПЛИВ З.1. ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ТОПЛИВА (ВЭТ) Стремительное развитие ракетной техники за последние 10 лет вызвало широкое развертывание работ по исследованию и поискам новых топлив с более высокими энергетическими показателями. Появление новых типов двигателей на смешанном топливе, импульсных, многоразового действия, с подводным стартом, использующих тиксотропное топливо, и других, также ставит перед специалистами по топливу ряд новых задач и требует внедрения в практику новых видов высокоэнергетического топлива.
Ниже приведены основные группы высокоэнергетических топлив (ВЭТ). 1. Высокоэнергетические топлива на основе криогенных жидких ракетных топлив (ЖРТ). Это обычные жидкофазные топлива с высокой степенью криогенности, т. е. с очень низкими температурами кипения и застывания. Главнейшими представителями этой группы являются жидкие фтор и водород.
Температура кипения фтора — 188' С (+85 К), температура застывания — 2!9,6 С (+53,4 К). Для водорода Т„„,= — 253'С (+20К), а Т„„= — 259'С (+!4К) 140, 59). 2. Высокоэнергетические смешанные ракетные топлива (СРТ). В эту группу входят разнофазные топлива, которые разделяются на две подгруппы А и Б [60) (по терминологии США— гибридные топлива).
Подгруппа А имеет жидкий окислитель и твердое горючее, например, азотная кислота в качестве окислителя и графит в качестве горючего. Подгруппа Б имеет жидкое горючее и твердый окислитель, например, перхлорат аммония в качестве окислителя и гидразнн — гидрат в качестве горючего. Горючие и окислитель в гибридных СРТ могут быть сложными по составу.
3. Высокоэнергетические смешанные трехкомпонентные топлива (по терминологии США — трибридное топливо). Эти топлива представляют собой СРТ с добавкой жидкого водорода, 191 который выступает в качестве рабочего тела, нагреваемого за счет сгорания основного СРТ. Например, жидкий кислород— окислитель, бериллий — горючее, жидкий водород как рабочее тело [551. 4. Высокоэнергетические смешанные многокомпонентные топлива. Так называют топливо, состоящее из твердотопливной композиции с добавкой жидкого водорода. Например, перхлорат как окислитель с литийбериллиевым горючим [ТРТ) с добавкой жидкого водорода как рабочего тела [50, 651.
5. Высокоэнергетические топлива на основе золей, гелей и суспензий, обладающих свойствами тиксотропности, например, горючее аэрозин с добавкой порошкообразного алюминия, желатинизатора, а в качестве окислителя — смесь фтора и кислорода Н ОХ [40, 58, 59[. Рассмотрим основные энергетические и физико-химические показатели компонентов вышеперечисленных высокоэнергетических топлив и сравнительные характеристики отдельных групп.
Сравнение всех видов новых топлив обычно проводят с кислородно-водородным топливом, которое является общепризнанным международным эталоном. Основным критерием выбора высокоэнергетического топлива являются удельный импульс и плотность топлива. Это основные параметры максимальной скорости полета ракеты на активном участке работы двигателя. При оценке и выборе высокоэнергетического топлива в последнее время все большее значение придается сравнению не только по удельному импульсу, отнесенному к массе топлива, но и по удельному импульсу, отнесенному к единице объема топлива.
Последняя величина очень важна при определении габаритов и массы ракеты. Важнейшими показателями топлива являются основные физико-химические константы: температурный градиент жидкофазного состояния, теплоемкость, температуропроводность, стабильность при нагреве и др. Важное значение имеют эксплуатационные показатели топлива, такие как токсичность, взрыво- и пожароопасность, производственная доступность и стоимость. При сравнении топлив остановимся только на таких показателях, как удельный импульс тяги — массовый и объемный, т. е. импульс, отнесенный к 1 кг массы или к 1 м' объема топлива.
Затем там, где это будет возможно, оценим плотность, температуру в камере сгорания, экономичность и эксплуатационные характеристики топлив. В настоящее время нельзя считать окончательно сложившейся терминологию по высокоэнергетическим топливам. 192 Разработка высокоэнергетических топлив в современных условиях вызвана рядом причин. В первую очередь удельные импульсы тяги топлив, используемых в настоящее время, не удовлетворяют современным потребностям. В современных ракетных системах большой тяги, обеспечивающих вывод в космос больших грузов, потребных, например, для полета на Луну и обратно, требуется увеличение числа ступеней илн числа двигателей в связках, что, в свою очередь, снижает надежность работы системы.
Увеличение удельного импульса тяги топлива даже на !5 — 20% дает возможность сократить число ступеней с трех до двух или уменьшить число двигателей в связке примерно на 20 — 25%. Увеличение плотности топлива на 15 — 20% позволяет сократить габариты и вес ракетной системы примерно на 10 — 20%, что, в свою очередь, позволяет увеличить полезную нагрузку.
Влияние увеличения плотности топлива очень легко определяется таким показателем, как удельный импульс тяги на единицу объема 1„', . Увеличение удельной объемной тяги и плотности топлива можно получить разными путями. Поэтому в разработке современных высокоэнергетических топлив наблюдаются три основных направления. 1.
Использование высокоактивных окислителей типа фтора или его производных [49, 59~ с высокой степенью криогенности. Развитию и внедрению в практику этой группы препятствуют эксплуатационные свойства фтора и его производных. Все эти вещества обладают сверхвысокой токсичностью, исключительно коррозионноактивны по отношению к конструкционным материалам, имеют весьма высокую стоимость и сравнительно ограниченные производственные возможности.
При использовании фтора или его производных в качестве окислителя с твердыми горючими СРТ топливо имеет очень высокий удельный объемный импульс и высокую плотность, что способствует резкомусокращению габаритов ракетной системы и позволяет значительно увеличить полезную нагрузку. В качестве горючего с фтором или его производными наиболее целесообразно использование жидкого водорода аммиака или гидразина.
Но фторводородное топливо обеспечивает наибольшие из возможных значения удельного импульса тяги — до 4520 †46 м/с. Водород не токсичен, но эксплуатационные трудности использования его очень велики 115, 40, 621. Использование водорода, аммиака или гидразина с фтором или его производными, естественно, включает эти топлива в состав 1-й группы ВЭТ. 2. Использование в качестве окислителя жидкого кислорода 1401.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
