Штехер М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1241539), страница 43
Текст из файла (страница 43)
Эксплуатационные и физико-химические свойства, производственные возможности и стоимость продукта не вызываюг 7 4368 трудностей в отличие от применения фтора и его производных. Это очень важно для конструкторов, эксплуатационников и специалистов по топливам. Расширяются возможности использования этого вида топлива на силовых установках самолетов.
Однако удельный импульс тяги, массовый и объемный, и плотность топлив на основе кислородных окислителей ниже, чем фторпроизводных, примерно на 15 — 20о/,, а в некоторых случаях ибольше. Подбор и применение СРТ в этом случае несколько исправляет положение. 3. Разработка и использование топлив на основе азотно-кислотных окислителей или в лучшем случае азотного тетраксида, или пятиокиси азота и их смесей с азотной кислотой. Это очень дешевые топлива массового производства, в которых можно широко использовать так называемые «бросовые» материалы— графит, битум, отходы резиновой и пластмассовой промышленности 129, 401 Основная задача разработки этого направления заключается в том, чтобы увеличить удельный импульс тяги этих видов топлив до уровня 2455 †29 м/с на 1 кг топлива.
Такие топлива становятся конкурентоспособными с современными твердыми и жидкими топливами и могут использоваться в двигательных установках 1-й ступени, т. е. на взлете, или приобретают более высокое качество при использовании в системах массового производства. Подбор окяслнтеля я горючего Для всех трех направлений в разработке высокоэнергетического топлива главным является правильный подбор окислителя и горючего. Известно, что лучшие значения удельного импульса тяги получаются, когда сжигаются [35, 401: углерод в кислороде — /7 „=320 с; /гд=3140 м/с; водород во фторе — /с,,к=470 с; 1„„=4620 м/с; бор и углеводороды в смеси фтора и кислорода — /7„д=350с; /г =3440 м/с. В последнее время эти условия получили вполне четкое объяснение.
Пределы удельного импульса тяги определяются затратой энергии на создание межмолекулярных связей при образовании различных составляющих в продуктах сгорания того или иного топлива. Так, для связи атомов водорода и кислорода в продуктах сгорания требуется большая затрата энергии, и поэтому при использовании перекиси водорода или азотной кислоты в качестве окислителя удельные импульсы тяги получаются меньше. На связи атомов азота и кислорода затраты энергии меньше, и поэтому удельные импульсы тяги будут больше, на- 194 пример, с гидразином и азотным тетраксидом.
На связи водорода и фтора в продуктах сгорания затраты энергии очень малы по сравнению с предыдущими случаями, и это топливо всегда дает наибольшие удельные импульсы тяги (40~. Важность подбора окислителя для соответствующего горючего можно подтвердить, опираясь на цифровой материал, Так. используя в качестве горючего несимметричный днметнлгидразин (СНз)з%Нв для разных окислителей при прочих равны: условиях будем иметь следующие результаты [1, 2, 401: НДМГ+фтор — /7т =345 с; 1ти — — 3390 м/с; НДМГ+ кислород — /7„и=310 с; 1.
и — — 3045 м/с; НДМГ+перекись водорода — Р =280 с; 1 „=2750 м/с; НДМГ+азотный тетраксид — /7тд — — 290 с; 1 „=2850 м/с. Это для стехиометрических соотношений компонентов. Несколько лучшие результаты можно получить для гидразина 1чзНо в состав которого не входит углерод и, следовательно, нет затраты энергии на связи между кислородом и углеродом в продуктах сгорания г2, 34, 40~: гидразин+фтор — /7 и ††с; 1„„=3480 м/с; гидразин+кислород — /7ти=305 с; 1 =3000 м/с: гидразин+азотный тетраксид — И =290 с; 1т„=2850 м/с; гидразин+четырехфтористый гидразин — Р =335 с; 1, = =3290 м/с. Образование устойчивых продуктов реакции прн малых энергиях связи всегда обеспечивает увеличение удельного импульса тяги, например, образование фторидов металлов почти всегда дает увеличение импульса тяги на 5 — 10% ~40~.
Более удачное соотношение элементов имеет место при пс. пользовании в качестве окислителя ОРз или О,Рь так, напри. мер, с метанолом в качестве горючего ОРз дает /7» =350 с; /т,= =3470 м/с, а чистый фтор обеспечивает только 325 с, 3270 и/с Кроме того, необходимо учитывать, что образующиеся продук ты реакции должны иметь минимальный молекулярный вес чем больше в их составе будет свободного водорода, тем выш будет удельный импульс тяги. Выбор оптимальных значений а и и Выбор оптимальных значений а и зе является одной нз важ нейших проблем для высокоэнергетического топлива. Нельз~ устанавливать оптимальные значения и и к, при которых данно; топливо дает максимальный удельный импульс на двигателс Вопрос о выборе оптимальных значений а или и тесно связан не только с величиной удельного импульса тяги, но и с плотго стью топлива, которая зависит от ез или х.
Надо учитывать, чтс максимальное значение удельного импульса не совпадает с нап большими значениями плотности топлива. Формальный выбор а и я по максимальным значениям удельного импульса тяги мо- гвз о2а гг, лг гга 52 баа 2ба а,2 ао аб аб йа г2 а жет привести к таким значениям плотности топлива, которые окажутся весьма не рациональными с точки зрения габаритов баков и питательных систем ракеты. Последнее обстоятельство особенно резко проявляется для топлива кислород — водород (рис.
5.1) 11, 2, 40). Это топливо имеет максимальный удельный импульс тяги при а=0,3, при этом плотность топлива будет только 0,2 кг/эг . Между тем стехиометрнческне соотногнення для кислородводородного топлива а=1,0 и н=8,1, плотность топлива составляет около асс, с 0,42, а удельный импульс и, тяги на 15% ниже оптимума.
Однако, если просчитать объем баков для оптимального удельного импульса тяги, то он окажется почти в 2,5 раза больше, чем для Фаа — — — — — 1 — -- '! стехнометрических условий. ~ аг" ггг Большинство наших топлив имеет оптимальный удельный импульс тяги ближе аба —, Т- — ~: — — га к стехиометрическим усло- ~ ага„;-НДггГ1 виям, обычно в обласги а= ,тна аб =0,8 —;0,9; в этом случае разница в плотности топли22а %'4~г'ла"' ' аб ва для а„, и а=!,0 очень аг."г-гг ~ агег г ' мала и почти не сказывается. на габаритах баков и топ- ДФ ( ливных магистралей, Так для фторводородного топлива, которое является самым высокоэнергетическим, оптимальное значение а=0,7, разница в плотности между аоп и а=! не более Рис.
51. Завггсггггость удельного импульса тяги н плотности топлива от коэгрфи- 0 ' ггсм, что вызывает уве ииента наамтка окислгаеля и личеине габаритов баков не более ! 0 — ! 2% против стехиометрических условий. В данном случае нет необходимости учитывать изменение плотности топлива при выборе оптимального а еше и потому, что удельный импульс тяги при значительном изменении а меняется в очень малых пределах, т. е.
кривая изменения удельного импульса тяги очень полога, а для кислородводородного топлива она имеет крутое падение. Следовательно, при выборе оптимальных значений а и к надо учитывать форму кривой изменения удельного импульса тяги по а и н. При этом надо помнить, что нарастание плотности топлива имеет плавный характер при увеличении а и тс и не имеет максимума (при а= 1,0) вблизи области стехиометрии. Жидкие высокоэнергетические криогенные топлива Кислородводородное топливо [401 Рассмотрим и оценим свойства кислородводородного топлива как эталонного топлива. Кислород как окислитель исполь,зуется очень давно, его свойства и эксплуатационные показатели широко известны.
Водород — горючее в этом топливе, в настоящее время он начинает широко внедряться в ракетную практику. Рассмотрим свойства и эксплуатационные показатели водорода, которые известны еще далеко не полно. При нормальной температуре водород — бесцветный газ, без запаха, нетоксичный, но дыхание не поддерживает. Газофазный водород называется нормальным и состоит из 25% пара- водорода и 75% ортоводорода. Различие пара- и ортоформ определяется ядерным спином в молекуле водорода, у параводорода спин противоположно направленный, у ортоводорода— одинаково направленный.
Наличие этих двух форм существенно сказывается на эксплуатации водорода. С понижением температуры происходит реконверсия — переход из орто- в параформу, при этом меняется направление спина и выделяется заметное количество тепла. При температуре 21 К почти весь водород переходит в пара- форму (99,7%) [40, 4Ц. Водород сжижается при 20 К в бесцветную, без запаха жидкость и при 14 К переходит в твердое состояние [11, 12, 4Ц. Жидкофазное состояние ограничивается очень узким диапазоном температуры при очень низком ее уровне по абсолютной шкале. Низкая плотность жидкого водорода (0,0?1 г/смв) вызывает серьезные трудности при создании ракет, так как резко возрастает объем и габариты бака для горючего.
Жидкий водород — сжимаемая жидкость, параметры ее подчиняются характеристическому уравнению ри=ГсТ, а точнее, уравнению Ван-дер-Ваальса. Применение водорода вызывает существенные трудности в работе и конструировании турбонасосного агрегата, так как приходится конструировать многоступенчатые насосы, что увеличивает массу и мощность агрегата.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
