Штехер М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1241539), страница 60
Текст из файла (страница 60)
Металлы — теплоносители. 268 Натрий ()х)а), 1с=23; калий (К), р=39; галлий (Сха), р=70; олово (8п), р=!18,7; ртуть (Нд), р=200; свинец (РЬ), р=207; висмут (В1), 1с=209 и т. д. Основное свойство этой группы — обеспечение теплосъема, т. е. только теплообмен в рабочем процессе силовой установки.
Все эти вещества, с большим молекулярным весом и не диссоциирующие, нецелесообразно использовать для получения тяги, так как они дают минимальный удельный импульс. В этой группе молекулярный вес меняется в широких пределах, группа многочисленна. Вещества этой группы целесообразно использовать на установках с бинарными циклами. В представленную классификацию необходимо ввести ряд корректив. Не все вещества, обладающие малым молекулярным весом, можно использовать в ЯРД.
Так, бериллий является хорошим замедлителем нейтронов, но очень дорого стоит и очень 'гоксичен. Литий токсичен, коррозионноактивен и является сильным поглотителем нейтронов. Гелий не пригоден из-за очень низких температур жидкофазного состояния и обладает очень малым значением скрытой теплоты испарения. Гидриды лития и бора не пригодны из-за сильного поглощения нейтронов. Азот является очень устойчивым веществом и не диссоциирует при температурах ниже 3300' С, а его молекулярный вес даже в условиях диссоциации будет не ниже 14, что значительно выше молекулярного веса водорода.
Все вещества, входящие в седьмую группу, не обеспечивают высоких значений удельного импульса из-за высокого молекулярного веса и не пригодны как рабочие тела ЯРД. Таким образом, для практического использования остаются: водород, вода (водяной пар), воздух, водородные соединения азота, углеводороды н в том числе спирты. Технические требования к рабочим телам ЯРД Все вещества, используемые в качестве рабочего тела ЯРД, должны удовлетворять комплексу технических требований. Из рассматриваемой выше классификации видно, что число возможных рабочих тел достаточно велико и обладают они самыми различными свойствами.
Идеальных материалов, удовлетворяющих всем требованиям, нет. В технике часто приходится принимать компромиссное решение. Учитывая специфику рабочего тела в ядерно-ракетном двигателе, технические требования можно разделить на общие и специальные (8, 36, 47). Общие технические требования 1. Рабочее тело должно обладать наименьшим значением молекулярного веса. Это требование обеспечивает наибольшую скорость истечения газов при заданной температуре камеры и 269 позволяет получить наибольшее значение удельного импульса тяги. 2. Сложное по цоставу рабочее тело должно обладать способностью к диссог1иации на газы с малым молекулярным весом.
При заданной температуре это требование обеспечивает минимальный молекулярный вес рабочего тела и максимальный удельный импульс тяги. 3. Для обеспечения надежного охлаждения реактора рабочее тело должно иметь удовлетворительный комплекс физико-химических свойств: максимальную температуру кипения, минимальную температуру плавления, наибольшие значения скрытой теплоты парообразования, теплоемкости, теплопроводности, критического давления и температуры и минимальное значение динамической вязкости.
Спеннальные технические требования 1. Рабочее тело должно быть хорошим замедлителем, но не поглотителем нейтронов. 2. Рабочее тело должно быть стабильным при бета-, альфа- и гамма-облучении, т. е. должно обладать высокой радиолитичностью. 3. Рабочее тело не должно быть коррозионноактивным по отношению к конструкцнонным материалам реактора и к твэлам. 4.
Рабочее тело должно быть взрывобезопасным. 5. Рабочее тело должно быть пожаробезопасным. 6. Рабочее тело должно обладать минимальной токсичностью. 7. Рабочее тело должно быть производственно доступным и по возможности дешевым. Перечисленные здесь требования не абсолютны, они могут изменяться в каждом конкретном случае, но основное их содержание должно быть выдержано. Большинство представленных требований совершенно ясно, но некоторые частности, однако, следует подчеркнуть. Так, если рабочее тело будет заметно поглощать нейтроны, реакция деления будет замедляться и двигатель остановится. Особенно важна стабильность рабочего тела при облучении. Выбранное или назначенное рабочее тело обязательно должно проверяться экспериментально на стабильность. Так, например, вода при облучении разлагается на водород и кислород, образующийся гремучий газ очень нестоек и может дать взрыв в рабочей зоне реактора.
Если в качестве рабочего тела использовать керосин, то под действием облучения он полимеризуется и образующаяся масса может закрыть каналы твэлов. Это приведет к перегреву и разрушению твэлов. 270 Краткая характеристика возможных рабочих тел Большинство практически возможных рабочих тел достаточно подробно рассмотрены в качестве компонентов топлив ЖРД. Коротко остановимся на характеристике их как рабочих тел ЯРД и отметим те их особенности, которые важны для работы в ЯРД.
Важнейшие теплофизические и химические свойства практически возможных рабочих тел показаны в табл. 7.3. В о д о р о д в ЯРД используется как основное рабочее тело с малым молекулярным весом. Обладает способностью к диссоциации на одноатомный водород при температурах выше 2200 С. Водород является хорошим замедлителем нейтронов,но несколько хуже других рабочих тел. Наличие пара и орто-формы и процесса орто-пара-конверсин является нежелательным моментом в условиях эксплуатации, так как может привести к дополнительному тепловыделенню, снижая эффективность охлаждения двигателя.
В зоне высоких температур водород обладает высокой восстановительной способностью — реагирует с графитом (углеродом), некоторыми металлами и углеводородными соединениями. Графитовые поверхности прн этом разрыхляются и разрушаются при действии газовых потоков.
Параметры критического состояния водорода довольно низки, и поэтому водород в двигательной установке в основном находится в парофазном состоянии. Вода. Свойства воды все хорошо известны. Использование ее как рабочего тела в ЯРД возможно в связи с ее широкой доступностью: дешевизной, простотой транспортировки и эксплуатации. Хранить воду в баках из нержавеющей стали или анодированного алюминия можно бесконечно долго. Является хорошим замедлителем нейтронов. В условиях ЯРД в зоне высоких температур возможна диссоциация водяного пара. Теплоемкость воды приблизительно в два раза ниже, чем водорода. У г л е в о до р о д ы.
В ЯРД могут использоваться метан (СН4), керосин (С„Н„), пропан (СзНз) и соединения типа ( — СНз — ). Все углеводороды являются хорошими замедлителями, относительно дешевы, слабо токсичны, не взрыво- н огнеопасны. В рабочей зоне реактора они могут полимеризоваться под воздействием радиоактивного излучения. Все углеводороды обладают способностью к диссоциации, образование при этом смесей с низкими значениями молекулярных весов (5,5 — 8,0) дает основание для получения высоких значений удельного импульса. В процессе диссоциации углеводородов образующийся водород и гидриды взаимодействуют с конструкционными материалами (металлами)„вызывая коррозию и охрупчивание.
Спирты имеют значительно более широкий диапазон температур жидкофазного состояния по сравнению с водой и некоторыми рабочими телами. Они коррозионно не активны. Этило- с :О с:» С с» Ю 'с' С» С» сч СО СЧ СО С» с ю СЧ Со Ю СЧ . С' СЧ с» с» с» со с'с СЧ с» Ю сР Ю СЧ Ю С» С» С- СЧ Ю С- о С» с» СО Ю со Ю Ю С» С» С» с'» СО С» Ю Я с» С» сО СЧ С» с» СО СЧ О Ю сс о О О С" О с О О» О О О О 272 С» С'4 СО СЧ с» с» СЧ Оъ СО с С» О, О 'л 3 Я Ю СО с» » с с» СО СЧ СЧ » с го» СО » М С» К с вый спирт ие токсичен, метиловый токсичен. Очень дешевы. Диссоциация спиртов проходит в ограниченных пределах из-за выпадения углерода. Аммиак и г н д р а з и н не- б)у 117з лал/г "с значительно коррозионноактивны.
Х Аммиак дешев, гидразин дороже 1 почти в два раза. Оба вещества,у очень токсичны. Наличие азота в составе продуктов разложения 2 чначительно ухудшает их свойст- 2 ва. Молекулярные веса продуктов разложения для аммиака 8,5, а для гидразина 10,5. Аммиак и гндразнн склонны к разложению уже при температурах 1350' С, значительно более низких, чем б' Х для других рабочих тел, при этом возможен взрыв. В этих условиях 7 'В аммиак обладает высокой восста- 2 новнтельной способностью. Обра- 2ггг7гг л7РР «Рис агдгс ~«И 711 зующийся свободный водород вступает в реакцию с металлами Рнс. 7.5. Теплоениость с газооби углеродом.
разных рабочих тел: Как уже отмечалось выше, 1 — водород: у — гелий у — ме~ан Ф вЂ” вм диной иар; у — углеРод — газ; у — угледля выбора рабочего тела ЯРД ииюнтаа у «еь угл да: у — азот существенное значение имеет величина теплоемйсости. На рис. 7.5 для сравнения приводятся теплоемкостн вероятных рабочих тел. Кзк видно из графика, теплоемкость водорода значительно выше, чем углеводородов, воды и др, На основании приведенных материалов можно утверждать, что водород является для ЯРД главным рабочим телом. 7.3.
СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВЕШЕСТВА, ИСПОЛЬЗУЮШИЕСЯ В ЯРЛ И ЖРИ Рассмотрим применяемые в ядерно-ракетных двигателях или в ракетной технике гелий, азот, дейтерий, тяжелую воду. Гелий (Не) используется в ракетной технике в газофазном и жидком состоянии. В газообразном виде гелий используется, главным образом„как инертный газдля наддува баков и питающих систем с окислителем высокой степени криогенностн, высокой химической коррозионной активности. Это, главным образом, фтор и его производные. В газофазном состоянии гелий допускает применение любых конструкционных материалов в пределах очень низких температур. Гелий в жидком состоянии используется сейчас чаще всего как хладагент, особенно широко при сжижении водорода, фтора 10 4365 273 и его производных.
Использование гелия в качестве рабочего тела ЯРД нецелесообразно из-за малого удельного импульса тяги (около 535 с), дороговизны и трудности получения гелия в больших количествах. Использование жидкого гелия в качестве хладагента целесообразно в связи с очень низкой температурой кипения, а также благодаря его химической инертности по отношению к конструкционным материалам и веществам. Уменьшая давление над поверхностьЮ жидкого гелия, можно вызвать его кипение и понижение температуры до 0,7 К за счет испарения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
