Штехер М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1241539), страница 47
Текст из файла (страница 47)
Современные ТСРТ, как правило, используются на двигате. лях схемы А с применением двухкомпонентной системы питания. Ниже приводятся основные показатели ТСРТ (табл. 5.2). Все эти топлива, очевидно, из-за наличия водорода имеют высокую степень криогенности. В табл. 5.2 в скобках указывается твердый компонент топлива. Приведенные данные относятся к стехиометрическим соотношениям горючего и окислителя (40, 55, 60]. Как видно из табл.
5.2, твердым компонентом является бериллий либо алюминий, либо гидрид металла. Использование металлического бернллия заметно увеличивает удельный импульс, особенно с кислородом. Применение дорогих горючих, таких как бериллий или литий, в данном случае оправдывается заметным ростом удельного импульса, а также сложностью и высокой стоимостью самой силовой установки из-за применения водорода. Применение фтора в качестве окислителя, очевидно, не очень рационально, удельный импульс не более 5010 м/с (510 с). По химическим показателям (минимальные затраты энергии на связи в молекуле продуктов сгорания), очевидно, кислород с бе- Таблица 5 2 [ Ртг /во м/с /„, м/с Состав топлива 5380 4720 4670 5240 3600 5500 6175 565 490 510 557 478 485 475 5550 4920 5000 5470 4700 4770 4665 548 480 475 533 366 560 630 Ог+ [Ве]+ Нг От+ [Ай+ Нг Ег+ [Е1Нг]+ Нг Ог+ггц-[Ве о[1Н]+1Оо/оыг Ог+[ВеНг]+Нг Рг+[ВеН]г+Нг Ее+ [50о/оА1]-1-50о/о НгНо 5.4.
СМЕШАННОЕ МНОГОКОМПОНЕНТНОЕ ТОПЛИВО [СМТ) Высокоэнергетическим смешанным многокомпонентным называется топливо, состоящее нз твердотопливной композиции с добавкой жидкого водорода (по терминологии США — квази- гибридное топливо). Двигатель, использующий этот вид топлива, должен иметь камеру, в которую заложен заряд твердого 210 риллием лучше, и удельный импульс при этом получается заметно выше 48]5 — 5550 м/с (490 — 565 с). Необходимо тщательно подбирать окислитель. Целесообразно использование кислорода или смесей фтора с кислородом, обеспечивающих надежное самовоспламенение даже в условиях космоса с такими горючими, как бор, бериллий, углерод, ДМГ и др.
Следует обратить особое внимание на высокое значение объемного удельного импульса тяги во всех приведенных композициях, кроме кислорода с водородом и добавкой гндрида бериллия, где влияние водорода весьма велико. Показанное в табл. 5.2 увеличение удельного импульса тяги ТСРТ за счет добавки водорода обеспечивается сравнительно небольшим его количеством — около 20 — 30о/о.
В то же время, добавка такого количества водорода существенно снижает температуру в камере двигателя. Так, по данным США, при сжигании чисто~о смешанного топлива на основе кислород — бериллий, температура в камере достигаег примерно 4500 К, а с добавкой около 25% водорода температура в камере устанавливается в пределах около 2500 К [55). Следовательно, можно сделать заключение, что достоинством ТСРТ является снижение ими температуры в камере двигателя. К сожалению, добавка водорода в топливо с кислородным окнслителем всегда приводит к увеличению габаритов двигательной установки, как это было показано на примере с двигателем «Аполлон» в разделе о смешанном топливе [60, 62). Таблица 5,3 ул' 1', и/с гул я/с 77.о с Состав тоглвва 4870 4025 ИНТАС!О~+ С! Ч-ВЕ+ Не !ЧН~С!О,+1Л+А!+Не 465 405 445 410 4570 3980 55.
специлльиые коллоидные топлиВА Коллоидные тог!лиза представляют собой многокомпонентные многофазные гетерогенные системы, к ннм относятся волн, гели, эмульсии, взвеси, пасты. Эти виды топлива могут бытьвысокоэнергетическими, могут обладать и сравнительно небольшим энергетическим уровнем. Для этих топлив большое значение имеет тиксотропность, т. е. способность под влиянием внешних условий изменять свое фазовое состояние, например, под влиянием внешнего давления переходить из твердого в жидкое 21! топлива, являющегося основным топливом, и в эту же камеру подводится жидкий водород с помощью обычной для ЯРД системы питания.
Обычный двигатель твердого топлива усложняется за счет ус!ановки бака, насоса и системы питания для жидкого водорода. Жидкий водород, нагреваясь в камере сгорания, используется как рабочее тело, при этом возрастает скорость истечения продуктов реакции и снижается температура !.орения в камере. Снижение температуры в камере позволяет вводить в состав основного твердого топлива различные присадки, повышающие его температуру горения.
Но при этом, как показывают опыты с СМТ, лучшие результаты дают такие присадки, как бериллий, которые не только увеличивают температуру горения твердого топлива, по и обеспечивают высокое газообразование. Известно, что добавки алюминия в твердое топливо всегда увеличивают температуру горения, но алюминий обладает очень низким газообразованием (всего 220 л/кг топлива), поэтому добавка его к СМТ не повышает его удельного импульса тяги [60, 64).
В то же время, добавка водорода резко увеличивает удельный импульс и ставит СМТ в один ряд с кислородводородным топливом по массовому удельному импульсу тяги, а по объемному — они превосходят стандартные топлива в 2,5 — 3 раза. Точно так же добавка бериллия позволяет значительно увеличить удельный импульс твердого ракетного топлива и даже превзойти средние показатели СРТ при сравнительно несложных конструктивных изменениях в устройстве двигателя. Ниже приводятся основные показатели смешанного много- компонентного топлива при стехиометрических соотношениях ге рючего н окислителя (табл.
5.3) [64]. состояние или наоборот. Свойство тиксотропности очень важно для современных топлив ракетных и самолетных силовых установок, особенно для последних. Данные США, основанные на опыте войны во Вьетнаме,свидетельствуют, что около 18'/а самолетов и 6570 вертолетов, совершающих вынужденную посадку, гибнет от пожара 160, 671. Основная причина возникающих пожаров это разлив, испарение и воспламенение жидкого горючего в момент неудачного приземления аппаратов. Подобные ситуации в авиации и ракетной технике могут возникнуть и вне военных условий. Применение тиксотропного топлива дает возможность исключить указанные аварийные ситуации, возникающие при разрыве стенок баков и трубопроводов питательных систем аппаратов.
Тиксотропность достигается несколькими путями, например, впрыском в топливный бак в момент аварийной ситуации специальных желатинизаторов, которые переводят жидкое топливо в желеобразное состояние. Можно заранее приготовить топливо, которое находится в жидком состоянии и переходит вжелеобразное или почти твердое в течение нескольких секунд при повышении или понижении давления в баке, или при изменении температуры. Загустевшее топливо в момент разрыва стенок бака, при ударе аппарата о землю не разливается, не испаряется и не может воспламениться от случайно возникшей искры.
Явление тиксотропности предусматривает и обратный про. цесс перехода загущенного или отвердевшего топлива в жидкое состояние под воздействием внешних условий — изменения давления или температуры. Обратный процесс иногда называется пептизанией. Использование коллоидных систем, в частности эмульсиониых компонентов топлива, позволяет решить задачу повышения энергетического уровня топлива за счет введения в жидкофазное топливо твердых компонентов во взвешенном состоянии. Например, создание взвеси мелко измельченного металла в органическом горючем позволяет поднять его калорийность, увеличить температуру в камере н, таким образом, удельный импуль. такого топлива. Классификация коллоидных систем Коллоидная система — это переходная форма от грубодисперсной двухфазной или многофазной системы типа взвеси к собственному раствору — жидкофазной среде 16, 26, 211. Коллоидная система — это гетерогенная система, состоит из дисперсной фазы и дисперсионной среды.
В зависимости от того, что представляет собой дисперсная фаза или среда, меняется и представление о содержании и структуре данной коллоидной системы. 212 Коллоидные системы, истинные растворы и грубодисперсные системы различаются размерами частиц днсперсной фазы, т. е. степенью дисперсности, или просто дисперсностью. Степень дисперсности является величиной, обратной средне- 1 му диаметру (0) или радиусу частиц («) С = —. 2« По степени дисперсности различают: 1. Истинные растворы, Х)>10' м — ' или «(0,001 мкм (одии микрометр — одна миллионная часть метра).
2. Коллоидный раствор, 0=10' —:10' м-', «=0,001 —:0,1 мкм. Высокодисперсные системы (суспензии и эмульсии), 77(10' м — ', «>0,1 мкм, 4. Грубодисперсные системы (взвеси), Х>>! мкм. Кроме того, дисперсные системы различаются по агрегатно- му состоянию дисперсионной среды и дисперсной фазы: 1. Дисперсионная среда — газ, дисперсная фаза — жидкость, система называется туман.
2. Дисперсионная среда — газ, дисперсная фаза твердач; система называется дым или пыль. 3. Дисперсионная среда — жидкость, дисперсная фаза — газ; система называется пена. 4. Дисперсионная среда — жидкость, дисперсная фаза— жидкость; система называется эмульсия. 5. Дисперсионная среда — жидкость, дисперсная фаза— твердая; система называется воль или суспензия. 6. Дисперсионная среда твердая, дисперсная фаза — газ; система называется твердая пена, например пемза, туф.
7. Дисперсионная среда твердая, дисперсная фаза — жид- кость или твердая; это будут системы с жидким или твердым включением. Система «газ в газе» являются однофазными, не свойствен- ными жидкому топливу, и поэтому нами не рассматриваются. Системы с газообразной дисперсионной средой называют аэ- розолями, если дисперсионная среда — вода,— гидрозолями. Если дисперсионная среда является органической жидкостью, система называется органозолем. Вообще коллоидные системы, в которых дисперсионная сре- да — жидкость, а дисперсная фаза — твердое вещество, назы- вают волями.
Золя подразделяются на лиофобные (гидрофоб- ные) и лиофильные (гидрофильные). Лиофобными золями на- зывают такие, в которых взаимодействие (сольватация, гидро. тация) между дисперсной фазой и дисперсионной средой очень мало. Наоборот, в лиофильных волях это взаимодейстие выра- жено сильно. В этих системах выделяющиеся нз раствора кол- лоидные частицы могут увлекать с собой значительные количе- ства растворителя и образовывать структурированные студени- стые системы, называемые гелями.
213 Строение геля представляет собой тонкую трехмерную сетку (каркас), образованную дисперсной фазой, а поры этого каркаса заполнены днсперсионной средой. В зависимости от строения частиц, характера и прочности связей различают эластичные и неэластичные гели. Неэластич. ные гели, их чаще называют студнями, хорошо впитывают любую смачивающую жидкость. Эластичные гели поглощают только жидкости, сходные с ними по химическому составу, и при этом сильно набухают — увеличиваются в объеме. В процессе хранения гель может терять часть дисперсионной среды в результате ее испарения, это приводит к усыханию геля и сокращению его объема. Некоторые гели обладают свойствамн тиксотропностн, т. е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
