Штехер М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1241539), страница 44
Текст из файла (страница 44)
Стехиометрическое соотношение окислителя и горючего для водородкпслородного топлива равно 8,1, при этом а=1,0, у,= =0,42 кг/мв, удельный импульс тяги составляет около 360 с (3540 м/с), а наибольший импульс тяги в пределах 420 с получается при коэффициенте избытка окислителя около 0,3, т. е, в области очень глубокого обогащения горючим. Если двигатель ориентирован на максимальный удельный импульс тяги, то возникают трудности, при а=0,3 плотность топлива снижается до 0,20 кг7мв и объем бака для горючего — водорода будет почти в два раза больше, чем при стехиометрических условиях [11, 17). !97 Водород получают в газофазной форме методом электролиза воды, методом конверсии в метане (СН,) или по реакции водяного газа воздействием водяного пара на раскаленный кокс.
После очистки и сушки газофазный водород сжижается охлаждением с последующим дросселированием. При сжижении надо считаться с реконверсией орто- параводорода. В сжнженном водороде переход протекает медленно и сопровождается выделением тепла. Для ускорения реакции необходимо вводить катализаторы. Все это очень удорожает процесс и поэтому жидкий водород стоит очень дорого.
Пожароопасность водорода очень высока, так как воспламеняется он в очень широком диапазоне концентраций, с кислородом от 4 до 94Ъ, с воздухом от 12 до 847~о. Водород горит бесцветным пламенем, что затрудняет обнаружение горения. Пожароопасность увеличивается еще за счет электризации парофазной струи при утечке водорода. Жидкий водород коррозионно не активен, но может вызывать разрушение материала за счет его охрупчивания при низкой температуре.
Одной из труднейших задач эксплуатации является сохранение водорода в жидкофазном состоянии в баках и трубопроводах установки. Теплоизоляции обычными материалами — пробкой, пенопластом и др. не дает удовлетворительных результатов, требуется вакуум-порошковая или вакуумная теплонзоляция. При заправке баков жидким водородом полностью исключается попадание посторонних примесей, влаги и воздуха, которые могут вызвать непредвиденные и нежелательные явления ~15, 40, 623.
Особенно опасно попадание в бак с водородом газообразного или жидкого воздуха или кислорода, которые немедленно замерзают, опускаются на дно и образуют «гремучую смесь», способную взрываться при самом незначительном внешнем импульсе. В последнее время для улучшения хранения жидкого водорода в практике США используется «шугообразный водород», . представляющий собой переохлажденный жидкий и водород, частично превращеннгяй в лед,— «шугу» 140, 62]. Образующаяся в начале переохлаждения водорода шуга должна проходить процесс «старения», при этом увеличивается плотность до 0,085 кг/м', а шуга приобретает форму шариков с диаметром от 0,05 до 0,6 см. Количество шуги зависит от времени старения, за первые 5 ч образуется 35%, за последующие 1Π— 12 ч до 50%, а после 100 ч ее количество может достигать 60 — 65 7а.
За счет применения шугообразного водорода повышается плотность горючего, улучшается использование объема баков из-за увеличения скрытой теплоты парообразования, упрощается теплоизоляция баков и можно использовать обычную пеноуретановую теплоизоляцию. 198 Шуга не ухудшает текучесть водорода, но и не увеличивает удельный импульс тяги. При этом возникает и ряд недостатков: необходимо время на старение шуги, нужна организация рецеркуляции шугообразного водорода через баки и систему питания, фильтрация шуги в баках, необходимо разработать методы контроля поведения шуги в баках и накопить достаточный запас знаний по эксплуатации шугообразного водорода.
По данным СШЛ, в опытах на ступени ракеты «Сатурн» (62) установлено, что в баки можно загрузить 23,0 шугообразного водорода вместо 19,9 т жидкого. Оптимальное х для водородно-кислородного топлива равно 5,5, а для шугообразного (50$ шуги) — х = 4,2. На старте ракеты выкипание шугообразного водорода определяется в 0,44$, а для нормального жидкого водорода оно достигает 3,04 е(о. Несмотря на явные преимущества шуги, при ее использовании происходит некоторое ухудшение качества топлива в результате снижения х до 4,2, при этом его плотность снижается примерно на 15пго.
Главнейшие сведения о жидком водороде подчеркивают трудности использования его как горючего в составе ракетного топлива, но не исключают его применение. Фторводорохиое топливо Фторводородное топливо в настоящее время является одним из самых высокоэнергетических и в то же время в высокой степени криогенным. Удельный импульс тяги фторводородного топлива оценивается в 4520 — 4620 м/с (460 — 470 с), а импульстяги на м' — 2900 м/с (295 с). По степени криогенности фтор находится на нижнем пределе средней степени криогенности, а водород — на нижнем пределе высокой степени криогенности.
Оба компонента в условиях эксплуатации создают очень большие трудности из-за криогенности, взрывоопасности, а фтор еще из-за токсичности и агрессивности по отношению к конструкционным материалам. Фтор надежно обеспечивает самовоспламенение топлива с любым горючим, хорошо смешивается и соединяется с кислородом, образуя смеси и соединения, которые удобно использовать три сжигании углеводородных горючих.
Как окислитель фтор лучше всего использовать с водородом или другими веществами, где водород является основной горючей составляющей, например с аммиаком. Такие топлива обеспечивают наибольший удельный импульс «40). При работе с фтором надо пользоваться кислородными и воздушными масками со шланговым питанием или изолирующими кислородными или воздушными противогазами типа акваланг.
Применение защитных противогазов с поглотителем не допускается, так как возможно воспламенение и взрыв поглотителя, например такого, 199 как активированный уголь. При работе с фтором должна применяться специальная защитная одежда, изготовленная из несгораемых материалов на основе неопрена.
Большинство реакций может начинаться при нормальной температуре или при подогреве до 300 †3 К (27 — 52' С). Коррозионная активность фтора очень высока, для работы с ним нужен очень тщательный подбор конструкционных материалов. Наиболее стойкими во фторе считаются красная медь, никель и монель-металл.
Относительно стойкими являются чистый алюминий и некоторые марки нержавеющей стали и бронзы В .условиях повышенных температур рекомендуется применять медь, никель н монель-металл, они стойки до 825 — 1000 К (552— 72TС). При контакте чистого фтора с поверхностью металла обычно образуется пленка довольно стойких фторидов металла. Образование пленки препятствует разрушению, но с увеличением температуры, давления и скорости движения жидкости по поверхности пленка фторида может разрушаться, затем снова образовываться и снова разрушаться и так до полного разрушения детали.
Такой процесс в некоторых случаях может привести к образованию очага горения металла конструкции в жидком фторе и к взрыву. В результате последних исследований по фтору !40, 59) выяснилась заметная разница в плотности жидкого фтора в зависимости от температуры. Так, по данным Сарнера и Миллера 140), плотность меняется от 1,67 г/смз при — 2!5'С до 1,47 г/см' при — 188'С (85 К). Среднее значение плотности, обычно принимаемое в расчетах для оценки размеров баков, труб и других систем, равно 1,55 г/см', но его рекомендуется корректировать в соответствии с конкретными условиями работы систем.
Энергетические показатели фтора как окислителя очень высоки, и с этих позиций использование фтора весьма перспективно. Фтор с водородом как горючим обеспечивает удельный импульс тяги в пределах от 4520 †46 м/с (460 †4 с) при а= =0,95, т. е. весьма близко к стехиометрическим условиям (к,= =!9,0). В этом случае фтора берется почти в !8 раз больше, чем водорода и, если учесть, что плотность фтора около 1,6, то плотность топлива значительно выше кислородводородного эталона.
При использовании фторводородного топлива при я=!6 —:18 с малыми количествами горючего с низкой плотностью (0,07 г/см') и относительно большими количествами окислителя с высокой плотностью (1,6 г/см') размеры баков становятся почти одинаковыми. Последнее обстоятельство целесообразно по условиям конструкции ракетных установок. Как уже указывалось выше, удельный импульс тяги у фторводородного топлива изменяется в широком диапазоне, а а или х незначительно.
Это позволяет конструктору двигательной установки широко варьировать а или к, а значит, и массовыми 200 показателями ракеты без существенного отклонения от оптимальных значений удельного импульса тяги топлива. Многочисленные производные фтора могут обеспечить довольно высокие удельные импульсы тяги, по по условиям эксплуатации не лучше, чем у фтора, по производственным возможностям они не всегда могут конкурировать с фтором. Для оценки энергетических и эксплуатационных показателей ряда групп новых высокоэнергетических топлив рассмотренные нами основные показатели эталонного кислородводородного топлива и фторводородного высококриогенного жидкого и высокоэнергетического топлива вполне достаточны.
Удельный импульс тяги фторводородного топлива в данном случае находится на верхнем пределе для современных жидких топлив, уже введенных в эксплуатацию 140, 591 Эти показатели дают возможность оценивать качества и правильно выбирать новые высокоэнергетические смешанные ракетные топлива. б 2. СМЕШАННЫЕ ТОПЛИВА (СРТ) Смешанными ракетными топливами называются такие топлива, в которых один из компонентов жидкий, а второй — твердый.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
