Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Жидкий водород не обладает коррозионной активностью по отношению ко всем конструкционным материалам, но может вызвать разрушение материала за счет его охрупчивания при очень низкой температуре, свойственной жидкому водороду. Прочность нержавеющих сталей, алюминия и его сплавов, титана, монель-металла и низкоуглеродистых сталей с добавкой никеля незначительно снижается при контакте с жидким водородом, поэтому они могут применяться в качестве конструкционных материалов. Воздействие жидкого водорода на конструкционные материалы не ограничивается только охрупчиванием из-за низких температур, водород обладает способностью проникновения через толщу материала, в частности, металлов. Это явление носит название «наводороживание» материала, оно зависит от материала и методов его обработки.

При использовании жидкого водорода на практике возникает ряд трудностей. Одной из главных является задача сохранения водорода в жидком состоянии наиболее длительное время. При наличии хорошей теплоизоляции и возможно низкой температуры емкостей с водородом эта задача частично разрешается (рис. 2). Обычная теплоизоляция емкостей или трубопроводов, несущих жидкий водород, выполняется с помощью пенопластов, но ее действие, как правило, недостаточно, поэтому требуется постоянная подпитка емкостей жидким водородом. Несколько лучшие результаты дает применение одновременно с пенопластовой теплоизоляцией вакуумной изоляции по типу сосудов Дьюара.

Рисунок 2 – Схематический разрез промышленного сосуда для хранения и перевозки жидкого водорода или гелия с малыми потерями на испарение:

1 — тонкие трубки из нержавеющей стали; 2 — жидкий азот; 3 — уголь-адсорбент; 4 — жидкий гелий или водород; 5 — высокий вакуум; 6 — медь

После заливки и охлаждения емкостей и систем питания нормальное испарение жидкого водорода обычно составляет около 3 %. Но этот процент может резко увеличиваться при наличии самого незначительного подогрева. Как показывает практика эксплуатации жидкого водорода, подогрев жидкости на 2—3 °C очень нежелателен, так как дает значительные потери компонента (до 25 %). Экспериментально установлено, что движение жидкого водорода через насосы ТНА сопровождается подогревом на 1,8—2,0 °, что составляет значительную величину, так как температура жидкофазного состояния водорода всего 6 °.

В процессе заправки жидкого водорода в баки возникает еще одна проблема — очистка баков от возможных посторонних примесей, влаги и воздуха. Воздух, и особенно влажный воздух, при контакте с жидким водородом почти мгновенно конденсируется и застывает. Значительное количество образовавшейся твердой фазы может привести к закупорке трубопроводов к насосам и вызвать чисто механические повреждения лопаток колес ТНА. Малые количества влаги могут вызвать примерзание различных клапанов и элементов систем управления работой баков. Посторонние примеси, такие как азот, метан, окись углерода, технологическая грязь, грязь от продувки баков, недопустимы. Особенно опасно попадание в бак с водородом газообразного или жидкого кислорода, который немедленно замерзает и опускается на дно баков. При этом образуется так называемая «гремучая смесь», способная взрываться при самом незначительном внешнем импульсе, например, при толчке бака. Поэтому необходима тщательная очистка баков перед заправкой и удаление воздуха и других газов вакуумированием баков. В этих условиях наддув баков с жидким водородом должен выполняться только газообразным гелием [3, с. 104–107].

1. Керосин

При использовании керосина в качестве горючих необходимо учитывать потери компонента в результате прямого испарения керосина и уноса жидкости при выделении воздуха, растворенного в горючем при низких температурах. С понижением давления выделение растворенного воздуха резко увеличивается. Эти потери не велики, не более 0,025—0,03 % от веса залитой в баки жидкости, но они могут заметно увеличиваться в результате вскипания компонента и выброса его через дренаж. Нужно иметь в виду, что пары керосина, выделяющиеся через дренажную систему, обычно содержат около 32,5 % кислорода, что значительно больше содержания кислорода в воздухе, и поэтому дренаж весьма опасен в пожарном отношении. Керосин обладает склонностью к резкой испаряемости и вскипанию при низких давлениях за счет газовыделения. Для керосина в условиях эксплуатации большое значение имеет его способность к тепловому объемному расширению, которое зависит от температуры и плотности жидкости. В условиях сверхзвуковых скоростей полета летательных аппаратов нагрев стенок баков может превышать 375—475 К (102—202 °C). Объемное расширение керосинов в этом случае может привести к увеличению объема жидкости на 10—15 %, что, в свою очередь, вызывает нежелательную перегрузку материала стенок баков за счет увеличения давления в газовой подушке.

Керосин коррозионно не активен и не имеет ограничений по применению конструкционных материалов, однако, при наличии примесей воды сернистых соединений и органических кислот его коррозионная активность становится заметной, особенно по отношению к черным металлам [3, с. 121].

1. Метан

Метан является основным компонентом природного газа, и его получают экстракцией. Метан не ядовит, и его максимально допустимая концентрация более 0,02. Реальная опасность возникает только в том случае, если содержание метана возрастает настолько, что содержание кислорода падает ниже допустимого уровня [2, с. 247]. Жидкий метан, например, является еще и хорошим охладителем, позволяет получать восстановительный генераторный газ, не содержащий конденсата. Газообразный метан может быть нагрет в рубашке охлаждения ЖРД до 1000 К, однако жидкий метан должен находиться при докритических температурах (около 190 К), иначе он перейдет из жидкого состояния в газообразное, что недопустимо. Все это делает перспективным применение криогенных углеводородов (возможно в шугообразном состоянии) для мощных маршевых двигателей ракет-носителей и для двигателей космических аппаратов с длительным пребыванием в космосе [1, с. 184].

1. Несимметричный диметилгидразин

Несимметричный диметилгидразин (НДМГ) весьма стойкое и стабильное вещество при нормальных условиях, не чувствительное к удару, трению, световым и звуковым импульсам. При нагревании способно к термическому разложению, которое начинается с температуры около 400 К (127° C) и интенсивно развивается с ее повышением. Коррозионная активность диметилгидразина невелика, с ним нормально работают стали, чистый алюминий и его сплавы без окислов, титан, никель, монель-металл, сплавы меди применять не рекомендуется. В качестве прокладочного материала можно применять фторопласты, полиэтилен, каучук, асбест с фторопластом (фторасбесты). Допустимы эластомеры и бутилкаучуки, хлоропрены, плексиглас. Материалы, пригодные и проверенные при работе с гидразином, предпочтительнее применять с диметилгидразином, ограничения на материалы для гидразина относятся и к диметилгидразину.

НДМГ очень гигроскопичен, и следует принимать меры, исключающие непосредственный контакт жидкости с воздухом. При контакте с воздухом НДМГ медленно окисляется даже при комнатной температуре, более интенсивно при нагревании и повышенном давлении. При давлениях выше двух атмосфер НДМГ с кислородом воздуха может дать взрыв и поэтому для наддува баков с диметилгидразином необходимо использовать азот или другие инертные газы. Токсичность НДМГ высока, и последствия отравления очень тяжелы: почти полная потеря работоспособности при слабом отравлении и расстройство деятельности нервной системы при более сильных отравлениях [3, с. 142].

1. Термодинамические расчеты

   1. Допущения

В основу вычислительного алгоритма положены следующие допущения математической модели:

• рассматривается замкнутая термодинамическая система в состоянии внешнего и внутреннего термодинамического равновесия (полного или локального);

• газовая фаза описывается уравнением состояния идеального газа;

• поверхностные эффекты на границе раздела фаз не учитываются, растворимость газов в жидких и твердых фазах отсутствует;

• конденсированные вещества образуют однокомпонентные несмешивающиеся фазы, либо включаются в состав идеальных конденсированных растворов;

• химический состав ПС, приобретенный в камере сгорания (КС), и его теплофизические свойства в каждом сечении сопла соответствует местным значениям давления и температуры (модель химически равновесного процесса расширения).

1. Топливо кислород-водород

С целью максимального приближения к действительности и получения наиболее широкого представления о термодинамических процессах, проходящих в двигателе, условно примем, что окислитель представляет собой сложное соединение, содержащее 99,2 % и 0,8 % (по массе) соответственно кислорода O₂ и азота N₂. Горючее – 100 % H₂.

Применяя правила записи химических реакций [4], получим удельную формулу окислителя по соотношению:

где и – молярные массы (в граммах) азота и кислорода соответственно.

Коэффициенты удельной формулы рассчитываем по формулам:

Таким образом, удельная формула окислителя имеет вид

С помощью каталогизированного программного комплекса «Астра 4» 5 определен состав ПС на срезе сопла двигателя, а также термодинамические параметры (температура в КС T_к, газовая постоянная в КС R_к, комплекс (RT)_к и пустотный удельный импульс I_у.п). Результаты расчета приведены в табл. 2 и на рис. 3–6. Распечатка машинного кода приведена в Прил.

Таблица 2 – Результаты термодинамического расчета (кислород-водород)

Примечание: Содержание компонентов приведено в моль/кг.

Характеристики

Список файлов домашнего задания