книги из ГПНТБ / Мелькумов Т.М. Теория двигателей. I. Теория ракетных двигателей. II. Применение ядерной энергии в силовых установках [учебник]

§ 3.2. Т Р Е Б О В А Н И Я К Р А К Е Т Н Ы М Т О П Л И В А М

К топливам ракетных двигателей предъявляются определен­ ные требования, диктуемые процессом в двигателе и условиями эксплуатации. Хотя в большинстве случаев не удается удовлетво­ рить всем требованиям, предъявляемым к топливу, однако сфор­ мулируем основные требования, так как они имеют важное зна­ чение для сравнительной оценки топлива.

1. Топливо должно обеспечивать ракетному двигателю в можно большую удельную тягу или, что то же, возможно боль­ шую скорость истечения продуктов сгорания из сопла.

Величина удельной тяги ракетного двигателя определяется типом используемого топлива, а также параметрами и качеством процесса двигателя. Чтобы при сравнительной оценке топлив ис­ ключить влияние свойств двигателя, исходят из идеальной удель­

Величина удельной тяги зависит от количества тепла, выде­ ляемого при химической реакции, т. е. теплотворной способности, и степени преобразования этого тепла в кинетическую энергию продуктов сгорания, т. е. термического к. п. д., как это было вид­ но из формулы (2.7).

Степень преобразования тепла в кинетическую энергию про­ дуктов сгорания зависит от свойств продуктов сгорания.

В главе II было показано, что термический к. п. д. будет тем выше, чем больше показатель k, т. е. чем меньше молекулярная теплоемкость Срт продуктов сгорания, так как

1 _ ]>986

СРт

Величина молекулярной теплоемкости газов, как известно, зависит главным образом от их атомности и увеличивается с рос­ том числа атомов в молекуле (табл. 3.1).

На степень преобразования тепла, выделившегося в камере, в кинетическую энергию влияет степень диссоциации. Чем боль­ ше степень диссоциации, тем меньше термический к. п. д. Различ­ ные газы диссоциируют в разной степени. Так, например, боль-

61

шинство фторидов диссоциирует в меньшей степени, чем окислы. Диссоциация продуктов сгорания в значительной степени зависит от температуры, увеличиваясь с ростом последней; меньше влия­ ет давление.

При данной теплотворной способности температура продук­ тов сгорания будет тем ниже, чем выше весовая теплоемкость продуктов. При данной атомности газов весовая теплоемкость га­ за растет с уменьшением молекулярного веса

Н-

С точки зрения термического к. п. д. и, следовательно, удель­ ной тяги является желательным иметь продукты сгорания с ма­ лым числом атомов в молекулах и малым молекулярным весом.

Степень преобразования тепловой энергии в кинетическую энергию направленного движения продуктов сгорания зависит от их агрегатного состояния. Процесс расширения, приводящий к такому преобразованию, совершается только в газообразных те­

к. п. д.

При ориентировочной качественной оценке ракетных топлив, когда не вычисляется значение удельной тяги, следует рассматри­ вать теплотворную способность и свойства продуктов сгорания. С этой точки зрения топлива должны удовлетворять следующим основным условиям:

—высокая теплотворная способность;

—малое число атомрв в молекулах продуктов сгорания;

—малый молекулярный вес продуктов сгорания;

—максимальная доля газов в продуктах сгорания.

6 2

Иногда при такой оценке топлив ограничиваются сравнением их только по теплотворной способности. Такой подход может дать в некоторых случаях ошибочный результат, особенно если сравниваются топлива разной химической природы.

весовой запас при данном объеме баков, а следовательно, при прочих равных условиях больше скорость или дальность поле­ та аппарата.

' Влияние удельной тяги и весовой плотности топлива на ско­ рость и дальность полета ракеты видно из формулы Циолковского (1.1), которую мы запишем в форме

^ т и = Р у д £ 1 П ^ 1 + Ъ - ^ б) >

где V 6 — объем баков;

GK— конечный вес конструкции летательного аппарата (без топлива).

Из формулы следует, что роль весовой плотности увеличи­

В случае двухкомпонентного жидкого топлива весовые плот­ ности окислителя и горючего могут иметь разные величины. При этом для характеристики топлива рассматривают некоторую ус­ ловную величину весовЬй плотности, равную отношению запаса топлива к суммарному объему баков

Qqk~f

Тт =

OK“Ь г

63

индекс «ок» и «г» относятся соответственно к окислителю и горю­ чему.

Из последней формулы нетрудно получить

* - Н

Тт =

I

Ток Тг

- 3. Топлива должны быть стабильными и не менять своих фи­ зико-химических свойств в условиях эксплуатации, хранения и транспортировки. Для сохранения неизменного агрегатного со­ стояния компоненты жидких топлив должны иметь высокую тем­ пературу кипения и низкую температуру замерзания, а твердые топлива — высокую температуру плавления.

4. Топлива должны быть взрывобезопасными, безвредными для обслуживающего персонала и малоагрессивными или совсем неагрессивными в отношении конструкционных материалов, при­ меняемых при хранении, транспортировке и на эксплуатацион­ ных объектах.

5. Химические реакции окисленйя или разложения топлив должны обеспечивать устойчивую работу двигателя в широком диапазоне режимов.

Химическая активность топлив, т. е. скорость их сгорания, не должна изменяться с изменением внешних условий.

Для жидких топлив важно, чтобы их компоненты могли быть использованы для целей охлаждения двигателя. Для этого они должны иметь высокие значения теплоемкости, теплопровод­ ности и температуры кипения.

6. Должна быть достаточная исходная сырьевая база для получения топлив в нужном количестве. Технология производства должна обеспечить получение нужных количеств топлцв и воз­ можно более дешевых.

§ 3.3. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ, КАК КОМПОНЕНТОВ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ

Окислительные процессы между элементами. Рассмотрим окислительные процессы между элементами, полагая их в состоя­ нии, устойчивом в нормальных условиях. В этих условиях одни элементы находятся в молекулярном состоянии (Но, F2, 0 2, СЬ и др.), а другие — в атомарном (С, Li, Be, А1 и др.).

В табл. 3.2—3.4 приведены параметры основных горючих и окислительных элементов, параметры продуктов их полного сго­ рания (окисления/, а также энергетические характеристики реак­ ций окисления: теплотворная способность и идеальная удельная тяга. Некоторые величины для ряда веществ имеют приближен­ ный характер.

64

Т а б л и ц а 3.2

Значения теплотворных способностей для продуктов окисле­ ния, имеющих высокие значения температуры кипения и плавле­ ния, приведены для двух случаев: в первом случае продукты окисления доведены до твердого или жидкого состояния (высшая

ляется водород. Большими тепловыми эффектами сопровождают­ ся реакции окисления ряда металлов и кремния. Однако пара­ метры продуктов горения этих элементов в кислороде не всегда благоприятны. Они (окислы металлов и кремния) обладают вы­ сокой температурой кипения, что делает возможным наличие конденсированной фазы в продуктах сгорания некоторых из них (например, BeO, MgO, А120 3). Тепловой'эффект реакции окисле­ ния этих элементов, отнесенный к случаю, когда окислы находят­ ся в газообразном состоянии, относительно невелик. Окислы ряда; элементов имеют высокий молекулярный вес и большое числа

теплотворности. Применение металлических элементов может оказаться благоприятным в сочетании с водородом, так как при­ сутствие последнего позволит при большом тепловом эффекте иметь приемлемые параметры продуктов сгорания для увеличе­ ния термического к. п. д. В комбинации с кислородом после водо­ рода относительно эффективны литий, углерод, бор. Углерод и

водород являются наиболее распространенными горючими эле­ ментами в топливах ракетных двигателей.

Т а б л и ц а 3.3

Основные параметры реакций горючих элементов с жидким кислородом

Из табл. 3.3 и 3.4 видно, что с большинством из рассмотрен­ ных горючих элементов использование фтора более эффективно, чем кислорода. Это объясняется в одних случаях более благопри­ ятными параметрами фторидов по сравнению с окислами (мень­ шее число атомов и меньшая температура кипения), в других случаях более высокими тепловыми эффектами. Особенно эффек­ тивны со фтором водород, литий, а также бериллий, бор, магний.

6 6

В .табл. 3.5 приведены некоторые окислительные процессы для ряда элементов, находящихся в исходном состоянии в виде атомов.

Из таблицы следует, что если для рассмотренных реакций все исходные элементы иметь в атомарном состоянии, то эффек­ тивность топлив будет выше в силу более высокого теплового эф­ фекта.

Реакции рекомбинации между элементами и радикалами. Высокими тепловыми эффектами сопровождаются реакции соеди­ нения между некоторыми одноименными элементами и радикала­ ми. Некоторые из них приведены в табл. 3.6.

Использование таких реакций в ракетных двигателях позво­ лит обеспечить получение высоких удельных тяг. Однако многие атомы (N, Н и др.) и радикалы, представляющие интерес с этой точки зрения, не способны к сколь-нибудь длительному существо­ ванию в обычных условиях и практически мгновенно соединяются в молекулы. Для практического использования реакций рекомби­ наций или окисления элементов в атомарном состоянии в двига­ телях необходимо изыскать способы существования указанных атомов и радикалов в свободном состоянии с тем, чтобы реакции образования молекул происходили бы только в камере двигате­ ля. Были получены атомарные кислород и азот в «заморожен­ ном» виде при температуре 4°К. При нагревании этой «заморо­ женной» системы до 20 30°К атомы активно рекомбинируют, выделяя большое количество тепла.

Интересно отметить, что исследования верхних слоев атмо­ сферы показали, что на высоте 80—100 км компоненты атмосфе­ ры, как, например, кислород, под воздействием коротковолновой части ультрафиолетового излучения солнца находятся частично в атомарном состоянии.

§ 3.4. э ф ф е к т и в н о с т ь ж и д к и х т о п л и в р а з д е л ь н о й п о д а ч и

Исходя из особенностей эксплуатации, компоненты жидких топлив можно разбить на две группы: низкокипящие и высококипящие. К первой группе относятся вещества, которые имеют очень низкую температуру кипения, и использование их поэтому предполагается в охлажденном состоянии, т. е. в виде сжиженных газов (кислород, фтор, озон, водород и др.), что усложняет экс­ плуатацию этих веществ. Ко второй группе относятся вещества, использование которых не требует их охлаждения.

В. настоящее время известно большое количество веществ, которые в силу своего химического состава могут служить окис­ лителями и горючими ракетных топлив. Мы остановимся лишь на тех веществах, использование которых в ракетной технике может быть целесообразным. Попутно отметим, что пока только некото­ рые из рассматриваемых веществ нашли практическое использо­ вание.

Основные физические параметры окислителей и горючих приведены в табл. 3.7 и 3.8. В этих таблицах указаны в основном свойства чистых веществ. Часто окислители и горючие включают различные добавки в силу особенностей технологии или для улучшения тех или иных свойств. Естественно, что параметры таких веществ будут отличаться от указанных в таблицах.

Т а б л и ц а 3.7

Физические параметры окислителей

*) Весовая плотность для сжиженных газов дана при температуре, близкой к температуре кипения.

**) Температура кипения получена путем экстраполяции, так как при тем­ пературе! свыше 100СС Н2 О2 интенсивно разлагается.

6 8

*Температура начала кипения

Втабл. 3.9 приведены энергетические характеристики некото­ рых комбинаций окислителей и горючих. Там же указаны значе­ ния средней весовой плотности топлив!.

S9

Из указанных здесь топлив к настоящему времени, как видно из зарубежной печати, в основном получили применение топлива

сжидким кислородом и с азотнокислотными окислителями (HN03

иHN03-f- N2O4) . Некоторое применение имеют топлива и на основе перекиси водорода, в частности, в Англии.

Т о п л и в а на о с н о в е ж и д к о г о к и с л о р о д а обес­ печивают из применяемых в настоящее время наибольшую удель­ ную тягу. Недостаток этих топлив — низкая температура кипе­ ния окислителя, в силу чего применение их затруднено на тех ле­ тательных аппаратах, которые должны находиться относительно длительное время в состоянии полной боевой готовности или кото­ рые в условиях боевых действий меняют места базирования или находятся вблизи районов боевых действий.

Применение топлив на основе жидкого кислорода целесооб­ разно на аппаратах, запускаемых со стационарных установок, находящихся вблизи мест производства кислорода, и к которым не предъявляется ^требование пребывания в течение длительного времени в полной готовности (например, исследовательские ра­ кеты, ракеты для запуска искусственных спутников Земли и космических кораблей).

С жидким кислородом используются в настоящее время спирты, нефтяные горючие (главным образом керосин), а также горючие на основе диметилгидразина (например, смесь 60% диметилгидразина и 40% диэтилентриамина) и ряд др. Некоторое дальнейшее повышение удельной тяги двигателей, использую­ щих жидкий кислород в качестве окислителя, возможно примене­ нием таких горючих, как гидразин или металлсодержащие горю­ чие (например, пентаборан).

Т о п л и в а на о с н о в е а з о т н о к и с л а т н ы х о к и с ­ л и т е л е й (HN03 и HN03+ N20.i) уступают топливам на осно­ ве жидкого кислорода по удельной тяге. Преимущество их в боль­ шей весовой плотности и в том, что компоненты этих топлив — высококипящие вещества. Последнее позволяет держать лета­ тельные аппараты в полностью снаряженном виде относительно длительное время. Некоторое ограничение этому ставит коррози­

онная агрессивность азотной кислоты, 'Приводящая к постепейному разъеданию баков и арматуры системы питания.

Азотнокислотные окислители используются в настоящее вре­ мя в паре с нефтяными горючими, а также с горючими на основе аминов (например, тонка — смесь равных количеств триэтиламина и ксилидина; АФ — смесь анилина и фурфурилового спир­ та) и др. В последнее время они применяются и с диметилгидразином, что позволяет несколько повысить удельную тягу. С горю­ чими на основе аминов, с диметилгидразином и некоторыми дру­ гими азотнокислотные окислители образуют самовоспламеняю­ щиеся топлива.

70