Штехер М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1241539), страница 46
Текст из файла (страница 46)
Этот вопрос пока еще не получил своего окончательного решения. Из иностранных источников 1601 следует, что для обеспечения полной диффузии газофазных окислителя и сублнмированного горючего необходимо отношение Б к Е камеры, равное 1/60. Это очень неудобно, и двигатель будет тяжелым.
Обычно /1/Ь берется пе более 1/10, в этом случае возникает заметное недогорание топлива и снижение КПД двигателя. Опираясь на все вышесказанное о схеме рабочего процесса двигателя со смешанным топливом, можно указать на ряд очень серьезных проблем, которые возникают при использовании этого вида топлива. Прежде всего это смесеобразование,затем сгорание, регулирование скорости горения изменением формы твердого компонента или введением соответствующих присадок, подбором самих компонентов и т. д. Конструктивное решение камеры сгорания с соответствующим размещением форсунок окислителя подбором новых форм заряда твердого горючего, применение составных зарядов может привести к положительному решению.
Рассматривая рабочий процесс в двигателе СРТ, необходимо обратить внимание на экспериментально установленное отсутствие зависимости скорости горения от давления при использовании схемы А и, наоборот, при схеме Б — проявление этой зависимости. В схеме А жидкий компонент — окислитель, его в х раз больше горючего, следовательно, схема А работает как жидкостный двигатель, где влияние давления на скорость горения мало.
В схеме Б окислитель находится в твердом состоянии и его опять в к раз больше жидкого горючего В схеме Б про- 205 ассс горения по существу ближе к условиям горения твердого топлива н зависимость скорости горения от давления заметна. Отсутствие неустойчивости в процессе горения смешанного топлива не получило надежного теоретического объяснения. Можно указать на четко установленную неоднородность состава счссн по длине и поперечному сечению камеры, которая показана на рис, 5.3. В этих условиях центральная часть газового потока занята окислителем и имеет температуру ниже, чем в гоне горения, причем поперечное сечение этой зоны не одинаково.
По длине камеры наибольший его размер у головки, а наименьший — у сопла, где основной состав газов — продукты реакции. Можно полагать, что неоднородность состава, и особенно поля температуры, и является основной причиной, исключающей развитие неустойчивости горения, здесь нет условий для энергетической подпитки образовавшихся волн давления.
Наоборот, волны теряют свою энергию, проходя через зону более холодного окислителя. Возникает аналогия с действием «гидравлического креста» в жидкостных двигателях с неустойчивым горением 11, 2, 201. Эиергетические показатели смемаииого топлива Рассматривая энергетические показатели смешанного топли. ва, отметим значимость не только удельного импульса тяги, отнесенного к единице массы топлива, но и удельного импульса тяги, отнесенного к единице объема. Кроме самой величины импульса тяги важной является зависимость его от а или х. К сожалению, в настоящее время из-за недостатка сведений не всег.
да можно указать оптимальное значение удельного импульса тяги по а или х. Удовлетворительные данные по оптимальным х имеются только для жидких криогенных высокоэнергетических топлив. Для смешанных топлив пока приходится пользоваться табличным материалом, главным образом по удельным импульсам тяги, часто без указаний, к каким условиям относятся эти данные.
Ниже приводится табл. 5.1 удельных импульсов тяги смешанных топлив, проверенных на практике и предназначенных для проверки 140, 55, 601. Указанные удельные импульсы тяги в основном относятся к условиям стехиометрии. Таблица составлена на основе материалов иностранных авторов, топлива располагаются по группам в зависимости от степени криогенности. В основном это топлива для двигателей, работающих по схеме .4, когда окислитель жидкий, а горючее — твердое.
Перечень композиций в настоящее время расширяется очень быстро за счет применения окислителей на базе фтора и кислорода 1так называемый Р1.ОХ) 159, 401 В качестве горючего с Е1.ОХ испытаны литий, бериллий, гндрид лития и смеси гидрида лития с бериллием. Все указанные 'Оо Таблица уд Примечание и/с Топлива по схеме А С,р, Нормальные, смешанные Топлива НСРТ (век.риогеииые) двигателей, работающих Топлива для НХОэ+ графит Н)ЧОэ+пластмасса 3730 4065 2770 2640 НгОг+иластмасса )ЧгОэ+ ннтРонластизол 4275 4275 5210 5560 2840 3400 )ЧгОэ+ ВеНг НгОг+ВеНэ 3440 3080 Будущие НСРТ ОРг+иластмасса ОРг+ ВеНг С1Рэ+ пластмасса РгОг+ пластмасса 4350 4125 4025 4050 Топлена относительно длительного хранения при температуре сухого леща 3660 4665 3580 3370 Будущие Криогенные СРТ 3095 4620 339 2945 4515 5900 4075 4025 НгОг+20э/аВе+ ( — СНг — ) х (Рг+Ог) + СР4+А! (Рг+ Ог) + полимер Карбоиат, сульфит, бисульфит аммония и НДМГ Многокомноненгные опытные системы Топлива для двигателей, работающих ио схеме Б (ЧНэС!Оэ+ !(гНэ 2900 1 4200 ХН4С!04+гидразингидрат горючие имели горячую связку в количестве 20 — 25%.
Эти топлива обеспечивают удельный импульс тяги в 4025 — 4275 и'с (410 — 435 с). Остальные данные по этим топливам пока неизвестны, Анализируя данные табл. 5.1, можно отметить, что группа СРТ на основе очень дешевых горючих и окислителей, так называемых бросовых топлив (первые 4 строки), имеет очень неплохие показатели по массовому удельному импульсу 2700— 3040 м/с (275 — 310 с) и очень высокие значения объемного удельного импульса тяги 3730 — 4275 м/с (380 — 435 с). Улучшение топлив этой группы за счет очень небольшой добавки, например бериллия или использования гидрида бериллия,может поднять удельный импульс тяги до пределов современных ЖРТ, т.
е. до 3!40 †35 м/с (320 †3 с). Это очень перспективное 20 Ог+ВеНг Рг+ ВеНг Рг+А!Нэ Рг+ ( — СНг — ) х Рг+1.1 ОРг+ ь(Н ОРг+ ( — СНг — ) х С!Рэ+1! С!Рг+1.!Н 3650 3930 3480 3780 3780 3580 3560 3140 3040 4775 5900 3440 4770 4670 4670 5260 3580 4370 направление, тем более, что это нормальные, некриогенные топлива. Далее можно отметить, что все криогенные СРТ обладают вообще весьма высокими показателями по массовому удельному импульсу тяги — от 3040 м/с до 4720 м/с (310 — 480 с), в среднем около 3740 м/с (380 с). По объемному удельному импульсу их показатели очень высоки, от 3930 до 5900 м/с (400 — 600 с), в среднем около 4520 м/с (460 с).
Эта цифра указывает на очень большую компактность конструкции ракетной установки с такими топливами. Расчеты, сделанные для ракеты «Аполлон», показывают, что габариты двигательной установки ракеты для кислородводородного топлива имеют 5,56 м в диаметре, 13,5 м по длине 162), Тогда как размеры этой же установки для смешанных топлив уменьшаются до 3,5 — 4,5 м в диаметре и 9,2 м в длину, соответственно масса установки сокращается почти в два раза. На опыте двигателя «Атлас — Кентавр» американские специалисты 160) считают, что использование СРТ снижает длину в 1,23 раза, по диаметру — в 2,5 раза. Масса снижается с 3800 до 1830 кг по сравнению с двигательной установкой на жидком топливе.
Особенно важным является снижение расходов: на проектирование и доводку двигательной установки с СРТ затрачивается около !7 млн, долл., а на жидкое топливо около 37 млн. долл. Среди будущих смешанных топлив, как показывает табл, 5.1, преобладает использование гидридов, особенно гидрида бериллия и лития. Кроме того, широко внедряются пластмассы, фторопласт и метанол ( — СНр — ). Применение гидрида бериллия со фтором и его производными особенно перспективно и может обеспечить удельный импульс тяги до 4620 м/с (:!70 с), т. е. столько же дает фторводородное топливо. В этом случае можно будет исключить применение водорода, эксплуатация которого вызывает трудности.
Однако токсичность пары фтор — бериллий должна учитываться (40, 59). Следует отметить (по табличным данным) достаточно высокие значения по удельному импульсу тяги для такого окислителя, как моноокись фтора, особенно при использовании с пластмассами. Перекись водорода с гидридом бериллия также дает очень высокие значения удельных импульсов, особенно объемных, 5560 м/с (566 с). Так как это топливо некриогенно, то хранение и эксплуатация его упрощаются, использование перекиси водорода, очевидно, становится целесообразным, особенно в установках длительного хранения. КЗ, ТРЕХКОМПОНЕНТНОЕ СМЕШАННОЕ РАКЕТНОЕ ТОПЛИВО (ТСРТ) ТСРТ вЂ” сложное смешанное ракетное топливо с добавкой жидкого или газофазного водорода в качестве рабочего тела,нагреваемого за счет сгорания основного смешанного топлива. Роль водорода как рабочего тела в любом ракетном двигателе достаточно хорошо известна.
Водород, обладая очень малым молекулярным весом, имеет самое высокое значение газовой постоянной и, следовательно, позволяет получить самое высокое значение скорости истечения газов из сопла и высокий удельный импульс тяги. Увеличение удельного импульса тяги за счет добавки водорода принципиально простое решение, но практическое выполнение этой схемы в двигателе приводит к существенным усложнениям.
Двигатель на ТСРТ должен иметь двухкомпонентную систему подачи жидких компонентов, как в обычном жидкостном ракетном двигателе. Следовательно, то преимущество, которое обеспечивается в двигателе смешанного топлива — упрощение системы питания, в данном случае отсутствует. Более того, добавка жидкого водорода усложняет систему питания из-за установки насосов, баков и устройства магистралей для жидкого водорода. Ракета с двигателями на ТСРТ требует усложнения стартового оборудования с учетом условий эксплуатации жидкого водорода [55).
Однако применение жидкого водорода в качестве компонента топлива при наличии высокоэнергетического смешанного топлива может дать значительное увеличение удельного импульса и этим могут быть оправданы все усложнения конструкции двигателей, ракеты и стартовых устройств. Как показывают первые приближенные оценки, удельный импульс ТСРТ может бытьполучен в пределах 4820 — 5500 м/с (490 — 560 с), а возможно, и выше. Это в современных условиях очень высокие показатели, благодаря которым ТСРТ превосходят современные жидкие и, тем более, другие виды ВЭТ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
