Штехер М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1241539), страница 56
Текст из файла (страница 56)
В частном случае для оценки ка- чества топлива обычно принимают величину массового коэффи- ЦИЕНта аППаРата Он ПОСтОЯННОй, ОДНаКО НУЖНО ИМЕТЬ В ВИДУ, ЧтО влияние 7 д и т, на величину максимальной скорости полета су- щественно зависит от массовых характеристик аппарата. Последнее обстоятельство можно показать, пользуясь следу- ющим методом.
Если в формуле Циолковского (6.5) положить, что значение тт,/тт'„невелико, что соответствует случаю малого запаса топлива на старте и большой массы конструкции (аппа- рат ближнего действия), то математически не будет большой ошибки, если вместо формулы вида (6.5) будем пользоваться формулой (6. 6) 1 тзк — )о' =(а' окут а н (6. 8) В то же время, если принять, что значение отношения О,/О„ очень велико, что отвечает болыпим запасам топлива на старте (аппарат дальнего действия), то без большой ошибки можно считать, что Ъ' =й'1п — '=Ф'!па„у,. щах О н (6. 9) Сравнивая формулы (6.8) и (6.9), нетрудно видеть, что в случае использования аппарата ближнего действия с относительно большой массой влияние плотности топлива проявляется более заметно, чем в случае с аппаратом дальнего действия и относительно малой массой, где зависимость от плотности топлива будет уже в логарифмической форме. Для нахождения максимума скорости полета в зависимости от величины удельного импульса и плотности топлива для конкретных значений коэффициента о„необходимо уравнение (6.7) взять в дифференциальной форме и, приравняв первую производную нулю, получить решение.
Однако, как это убедительно показано в работе [1), подобный метод требует значительных усилий и возможен только для конкретных значений коэффициента о„. Оценка топлива по максимальной скорости полета аппарата проста н удобна, дает вполне надежные сравнительные данные, но окончательный выбор топлива можно сделать только с учетом назначения аппарата, условий его эксплуатации и полного учета эксплуатационных и энергетических показателей самого топлива. 6.3. ОценКА тОплиВА по эКсплуАтАПНОнным ПОКАЗАТЕЛЯМ 251 Оценка топлива по эксплуатационным показателям — большой н трудоемкий процесс, требующий детального экспериментального обследования поведения топлива в условиях эксплуатации. Это обследование начинается с лабораторных исследований физико-химических свойств, продолжается на опытных образцах двигателей и очень часто проводится еще длительный период практического использования.
Число эксплуатационных показателей обычно очень велико и может насчитывать несколько десятков. При оценке топлива очень важно сделать правильный выбор именно тех конкретных показателей, которые позволяют сделать правильные выводы о практической пригодности топлива или его компонентов для заданного конкретного типа летательного аппарата. Большое количество эксплуатационных показателей затрудняет оценку, и для облегчения этого процесса целесообразно эти показатели разделить на ряд групп. Это разделение не абсо- лютно. Так можно назвать группу показателей, характеризующих топливо или его компоненты с позиций использования ихв качестве охлаждающего агента двигателя.
Можно выделить ряд показателей, характеризующих условия хранения, условия транспортировки, пожара и взрывоопасности. Совершенно обязательна оценка коррозионной активности компонентов и их токсичности. Наконец, при окончательной оценке обязательно должны быть учтены стратегические н производственные возможности. В особую группу следует выделить и тщательно проанализировать экономические показатели по эксплуатации, капитальным затратам и стоимости. Глава 7 ТОПЛИВО И РАБОЧИЕ ТЕЛА ЯДЕРНО-РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ТЛ.
ТОПЛИВΠ— ГОРЮЧЕЕ Атомная энергия, как и химическая, может являться источником энергии ракетных двигателей. Возможны несколько путей ее практического применения в ниде энергии радиоактивных изотопов, энергии деления ядер (ядерная энергия), энергии синтеза ядер (термоядерная энергия) [23). Остановимся коротко на характеристике этих видов и оценим возможности их практического использования на ракетных двигателях. Энергия радиоактивных изотопов В ракетных двигателях энергия распада радиоактивных изотопов может быть использована для получения тяги в случае, если продукты распада, истекающие из сопла двигателя, образуют реактивную струю. Кроме того, энергия распада может трансформироваться в тепло и использоваться для нагрева рабочего тела.
В космических аппаратах радиоактивные изотопы могут использоваться для получения электрической энергии с помощью специальных преобразователей. В настоящее время известно около 1500 различных изотопов: из них только 300 относительно устойчивы. Среди естественных радиоактивных изотопов известно более 40 наименований. Выделение естественных изотопов из природных руд нерационально из-за очень малого нх количества в составе руды.
Основные пути получения изотопов — искусственные методы. В основном используют методы искусственного получения изотопов: а) выделение изотопов химическим путем из продуктов деления в реакторах; б) облучение определенных элементов нейтронным потоком. При этом часто появляются короткоживущие изотопы.
Прн использовании радиоактивных изотопов различают несколько ви- дов радиоактивного распада с различным энергетическим уровнем 1241. 1. а-распад, при котором испускается а-частица — ядро гелия зНе4. 2. р-распад, имеет сложный энергетический спектр и делится, в свою очередь, на три типа: а) электронный р — -распад (наиболее часто встречающаяся Форма); пт б) позитронный ))"-распад; в) электронный захват — залтрпт, хват электрона с К или Т. оболочек. 3. Электромагнитное 7-излуче- ние, возникающее при переходе т,г атомного ядра с одного энергетического уро~ня на дру~ой.
В радиоизотопной энергетике используются в основном а и рис. Тд зависимость тепловой излучатели Эиерговыделение рамоп1ности Рапиоактнвного изото- диоактивных изотопов не подла 1!4,) от времени работы т дается регулированию, что создает трудности при использовании этого вида энергии в ракетных двигателях или энергетических установках космических аппаратов. Тепловая мощность радиоактивного источника энергии можег быть подсчитана по уравнению (7. 1) Х =ге — т'оЛе-т Г здесь с — комплексный параметр; Л вЂ” постоянная радиоактивного распада; те — начальное время; т — заданное время работы от те. Все эти величины могут быть взяты в справочнике 1471.
Измене. ние тепловой мощности в зависимости от времени переменно и может быть показано монотонноубывающей кривой (рис. 7.1). Из графика видно, что расчетная мощность, потребная для ракетного двигателя или космического аппарата в заданном диапззоне времени работы вначале получается с избытком, а затем обеспечивается только при условии аккумулирования избыточной мощности.
Для практических подсчетов удобно использовать данные табл. 7.1 !24], по которым можно определить количество радиоактивного изотопа, необходимое для получения заданной мощности. Из таблицы видно, что запасы энергии незначительны, поэтому радиоактивные и~отопы в ракетных установках можно использовать для рулевых корректирующих двигателей малых тяг. Такие двигатели обычно работают как импульсные, пуль- 254 Таблица 7.1 Используемое излуче- ние Используе- мое соединение Удельная мощность, Втуг ЕР.»ол» МзВ у. гуама Ты Изотоп 1,34 8,8 1760 Соло или СОба Яг СзС1 Ро Рн Сщ 9,0 1,6 — 1,7 0,93 0,22 !41 0,55 120,0 Кобальт.60 2,6 1040 3,97 920 9,4 530 16,5 9!О 13,5 1220 Стронпий-90 11езийн 37 Полоний-210 Плутоний-239 Кюрий-242 1,1 0,5 5,35 5,48 6,1 сирующие.
В этом случае величина разового импульса может быть значительно увеличена за счет накопления энергии за вре- мя бездействия между импульсами. Энергия деления ядер (ядерная энергия) Рис. 7.2, Схема идерио-ракетного двигателя с твердыми таэлами: т — бак е ткиакнм «неотным Рабочим телом; тблок питании ТНА 3 — блок тира»ленин; 4 — тиэлы 3 — иамеоа-неактои Опытные образцы ракетных двигателей, использующих энер. гню деления ядер урана для нагревания рабочего тела — водорода, уже построены и работают !81. Наиболее простым решением этой задачи для ракет!!ых двигателей оказалось использование реактороз с твердотопливными тепловыде- г у ляющнмп элементами— твэламн, Элементарная схема такого двигателя показана на рис. 7.2, Камера-реактор заполнена твэлами, выполненными из инертной керамической массы, являющейся конструктивной основой, имеющей в своем составе деляющееся вещество. Твэлы омываются рабочим телом, этим обеспечивается теплосъем, а нагретое рабочее тело, истекая через сопло, создает тягу двигателя.
В камере-реакторе ядерно-ракетного двигателя (ЯРД) энерговыделение происходит в массе твэлов. В процессе деления ядер большая часть энергии выделяется в виде кинетической энергии осколков деления. Осколки деления — это ядра радиоактивных изотопов с массовым числом от 72 до 160 (24, 36!.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
