Штехер М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1241539), страница 50
Текст из файла (страница 50)
Применение пылевидного металлического горючего кажется очень простым, но практически трудностей в этом случае еще больше, чем в первом случае. Пылевидное металлическое горючее можно получить, применяя так называемые коллондные мельницы, которые дают измельчение металла до размеров частиц в 1 мкм. Естественно, что эти системы нет надобности устанавливать на ракете и, таким образом, они не входят в состав ракетной установки, онн только готовят компонент топлива — горючее. Здесь также есть ряд технических трудностей, но они разрешимы в современных условиях. Главные и пока непреодолимые трудности возникают в системах подачи порошкообразного металла.
Подача порошка металла должна производиться при давлениях, превышающих давления в камере сгорания, иначе металл туда не пойдет. В современных ракетных двигателях давление в камере измеря ется в пределах от 70 до 200 кг,'см', а при давлениях, даже самых малых, порошкообразный металл спрессовывается и не проходит в камеру.
Применение различных технических методов, например шнековинтовой подачи, практического решения задачи не обеспечивает, так как не снимает высокого давления на металлический порошок. 222 Применение органозолей также приводит к ряду технических трудностей, которые в ряде случаев резко снижают эффект использования металлических горючих.
Органозоль состоит из механической смеси жидкого органического горючего, например керосина, солярового масла и других, и твердого порошкообразного горючего — металла. Металл измельчен до размеров 1 — 3 мкм и в жидком горючем находится во взвешенном состоянии, такие смеси часто называют суспснзнями. В органозоли недопустимо высокое содержание металла, который в противном случае начинает слипаться в комки, осаждается на дно сосуда под действием сил тяжести, в результате чего возникает неравномерность содержания металла в жидкости. Загущения органозоля нарушают нормальную работу систем подачи, одновременно нарушается процесс горения топлива в камере из-за отклонений в составе смеси.
Наконец, как показала практика применения органозолей, при одновременном горении в камере двигателя жидкого органика и металла надо учи. тывать их взаимное влияние. Обычно металл несколько подавляет горение органика, при этом нарушается соотношение состава смеси, двигатель дымит н не обеспечивает расчетных значений тяги. Против слипасмости металлических частичек горючего в жидкой органической основе и против осаждаемости металла за счет сил тяготения также имеются противодействия, но они не достигают полного эффекта.
Наилучшие результаты дает снижение процентного содержания металла в жидкости, но это уменьшает общую теплопроизводительность системы и, следовательно, удельный импульс тяги. Против слипаемости можно применять однополярность электрического заряда частиц металла, но заряд может стекать по стенкам баков и со временем эффект теряет силу. Для снижения эффекта отстоя под действием сил тяжести можно использовать органические жидкости с большей вязкостью, чем у керосина, например соляровое масло. Однако, увеличение вязкости основного органика приведет к увеличению трения жидкости в процессе прокачки, что вызовет заметное повышение мощности насосного агрегата и его массы.
Чистые металлы как горючее РД Основные показатели металлического горючего можно получить, рассматривая свойства некоторых металлов, наиболее часто используемых в качестве горючего (табл. 5.6). Идеальная температура горения (Т„„л) отвечает расчетным значениям для стехиометрического состава. Необходимо отме- 223 тить очень высокие значения теплопроизводительности и очень низкие удельные импульсы тяги, совершенно несоответствующие указанным значениям теплопроизводительности.
В данном случае расчет удельного импульса тяги по уравнению Й д ††=9,33~Н и, не согласуется с данными таблицы. Однако, если учесть тепло, затрачиваемое на сублимацию, испарение, плавление н другие «внутренние» потребности металлического горюче. го, значения тяги и теплопроизводительности, указанные в таблице, могут совпадать. Указанные в таблице значения теплопроизводительности являются теоретическими, определенными по теплотам образования без учета теплоты плавления, кипения и испарения, которые необходимо принимать во внимание, если определять такие показатели двигателя, как удельный импульс. Количество тепла, необходимого на расплавление металла н доведение его до жидкофазного состояния будет тем выше, чем выше температура плавления.
От температуры кипения и теплоемкости будет зависеть количество тепла, идущее на испарение металла. Чем выше эти показатели, тем меньшие значения будет иметьудельный импульс тяги и тем хуже данное горючее. На величину удельного импульса тяги влияет скорость истечения газов из сопла, которая зависит от величины газообразоваиия. Газообразование, в свою очередь, зависит от продуктов реакции — важно, чтобы в их составе было больше низкомолекулярных веществ и почти не было легкоконденснрующихся окислов металла, которые могут осаждаться в виде твердого остатка на стенках сопла и этим значительно снижать скорость истечения и тягу.
Из табл. 5.6 видно, что наилучшие значения величины газо- образования (г'„,) имеют бериллий, литий и магний, а наихудшие — алюминий и бор. Анализируя другие показатели металлического горючего в табл. 5.6 необходимо отметить очень высокие температуры горения. Это расчетные температуры горения данного металла с кислородом при стехиометрических соотношениях горючего и окислителя (кислорода).
В условиях реально~о рабочего процесса двигателя с учетом всех возможных тепловых потерь температуры в камере будут значительно ниже указанных в таблице, но все же достаточно высокими. Из-за высоких температур горения невозможно удовлетворительное техническое решение задачи охлаждения двигателя, поэтому чистые металлические горючие пока не применяются. Оргаиозоли как горючее Органозоли, или взвеси металлического порошка в органической жидкости, в качестве горючего предлагались для использования в ракетных двигателях рядом авторов почти во всех 8 4388 225 странах.
В СССР органозоли были предложены В. П. Глушко, широко испытаны и исследованы М. К. 'Тихонравовым. В качестве основной органической жидкости обычно используются керосин, лигронн нлн соляровое масло. Для специальных исследований часто применяется гексан нли гептан — производные нефти, обладающие большей стабильностью, чем керосин.
В качестве металлической добавки обычно используются алюминий, магний, литий и бериллий. лlлг лкапулг л/кг пиал/кг Бао Баа аоо 200 600 200 60 %пеилга Бтпплиап О 20 тпг 60 60%гг и БЕ а га Ча 6 лгоппи Бе 4 Рис. 5.5. Вдииние добавок 1Ь Ве, МК и А! на тазообразование и теп.
лоиронзводительность гексанкислородного топлива 225 На рис. 5.5 приведены основные показатели топлива на основе гептан — металлического горючего (органозоля) с кислородным окислителем. Из графиков видно, что с возрастанием процентного содержания металла в органозоле во всех случаях значительно возрастают теплопроизводнтельность и плотность топлива. Газо- образование для алюминиевого и магниевого органозоля уменьшается с увеличением содержания металла.
Почти все исследователи оргаиозолей как горючих отмечают, что с увеличением содержания металлические присадки подавляют сгорание углеводородной основы, оно становится ненормальным — двигатель дымит. Щелочные металлы, такие как натрий, калий и литий увеличивают ионизацию продуктов сгорания, что мешает нормальному радиоуправлению ракетой,для устранения этого требуется присадка хлора.
При применении органозолей в качестве горючих остаются все трудности со стабилизацией золя — слипаемость и осаждение металлических частиц за счет гравитационных сил, о чем уже говорилось выше. Подбор оптимального процентного содержания металла в органозоли и соотношение окислителя и горючего в топливе должны проводиться на основе детального экспериментального исследования такого топлива в реальных условиях работы на двигателе. Использование некоторых металлоорганическнх смесей рассматривается в разделе смешанных ракетных топлив. За. ПОРОШКООБРАЗНОЕ ТОПЛИВО Идея использования в ракетных установках порошкового топлива не нова. Она родилась в то время, когда были сделаны первые попытки применить металлы как наиболее теплопроизводительное горючее ракетных двигателей.
Порошковое, точнее пылевидное топливо, в теплотехнике, как известно, успешно применяется уже несколько десятилетий. Такое топливо очень дешево, просто в эксплуатации и высококалорийно. Но использование металлических порошков в ракетных двигателях связано с трудностями подачи порошка в камеру. В топку парового котла пылевидное топливо подается с помощью сжатого до 2 — 3 кгс/см' воздуха. Выход топливовоздушной взвеси осуществляется в среду меньшего давления, равного атмосферному. Перепад давления в этом случае невелик и топливные частицы не слипаются.
В ракетном двигателе давление в камере находится в пределах от 70 до 200 кгс/см'. В таких условиях невозможно осуществлять пневматическую подачу из-за очень большого расхода воздуха даже прн незначительном перепаде между давлением подачи н давлением в камере. Кроме того, и это, пожалуй, самая главная причина, металлическиепорошки под большим давлением легко спрессовываются и снова превращаются в твердый металл. Трудности подачи порошкового компонента в камеру сгорания и малое газообразование являются причиной того, что до сих пор высококалорийное металлическое горючее не используется в двигателях.
Поиски путей повышения плотности топлив привели к использованию металлических порошков как энергетических присадок в твердых топливах, в желеобразных топливах — гелях и органозолях. Эти топлива, имея высокую плотность, обеспечивают и увеличение удельного импульса, но поусловиям смесеобразования не обеспечивают постоянства х и а, при хранении возможна деградация гелей — расслоение топлив в эмульсиях, а их текучесть существенно зависит от температуры. Поэтому этот вид топлива имеет пока ограниченные области применения ~58, 671.
~Чежду тем, применение металлических порошковых топлив может дать довольно значительные преимушества. Так, по сравнению с жидкими углеводородными горючими, можно увеличитк дальность на 30 — 40%, а по сравнению с эмульсионными и гелеобразными — на 25 — 27%. Кроме главных тяговых двигателей, порошковое топливо можно использовать: в системах управления вектором тяги, путем применения. вдува; в двигателях твердого топлива не только при форсировании тяговых характеристик заряда, но н при переменной тяге по мере выгорании заряда; в стартовых ракетных ускорителях, в газогенераторах для вытеснитсльной системы подачи.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
