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

Самовоспламеняющиеся топлива должны иметь короткий период задержки воспламенения при запуске т30. Под периодом задержки т30 понимается время от момента соприкосновения оки­ слителя и горючего до момента их воспламенения при запуске. Если это время 'велико, то в камере сгорания в пусковой период может накопиться относительно большое количество топлива и воспламенение и сгорание будут сопровождаться сильным повы­ шением давления. При очень больших величинах т30 вместо нор­ мального воспламенения, как показывает опыт, может иметь ме­ сто взрывное сгорание. Исходя из этого, к самовоспламеняющим­

ся топливам предъявляется требование, чтобы период задержки воспламенения не превосходил определенную величину. Само­ воспламеняющиеся топлива, используемые на иностранных двига­ телях, имеют т30<; 0,03 сек.

Величина т30 зависит от типа окислителя и горючего, от температуры их и ряда других факторов. С ростом температуры величина т30уменьшается.

В табл. 3.9 для азотнокислотных окислителей даны значения удельных тяг для топлив на основе HNO31 При использовании смесей HNO3+ N20 4 топлива имеют удельную тягу на 2—5% выше (в зависимости от содержания N20 4). Добавление N20 4 к азотной кислоте повышает также весовую плотность окислите-

т

Рудид ’ "гсе*1сек

ля, а следовательно, и топлива. Влияние содержания N20 4в сме­ си с азотной кислотой на величину удельной тяги топлива, в ко­ тором горючим служит керосин, показано на фиг. 3.1. На фиг. 3.2 показано влияние N20 4на весовую плотность окислителя.

71

Т о п л и в а на о с н о в е п е р е к и с и в о д о р о д а , как это видно из развития инрстранных ЖРД, получили более ограничен­ ное применение. Это Связано с такими неблагоприятными эксплу­ атационными свойствами, как высокая температура замерзания и недостаточная стабильность перекиси водорода. Там, где позво­ ляют климатические условия (например, Англия), перекись водо­ рода находит применение как окислитель. Достоинством топлив на основе перекиси водорода является сравнительно низкая тем­ пература сгорания (из-за относительно небольшого молекулярно­ го веса продуктов сгорания), что облегчает условия охлаждения двигателя.

Т о п л и в а на о с н о в е ф т о р и с т ы х о к и с л и т е л е й . Весьма большой эффективностью обладают топлива на основе фтористых низкокипящих окислителей (жидкого фтора и жидкой моноокиси фтора). Применение фтора наиболее целесообразно с горючими, не содержащими углерода, так как продукт горения углерода во фторе CF4 имеет большую атомность и высокий мо­ лекулярный вес, что несколько ухудшает свойства продуктов сго­ рания. К таким горючим относятся, в первую очередь, гидразин и аммиак. Со фтором эффективны и некоторые металлосодержа­ щие горючие (пентаборан и др.). Со фтористым кислородом бла­ годаря содержанию в нем кислорода эффективны и некоторые углеродосодержащие горючие, например диметилгидразин.

Несмотря на весьма неблагоприятные физические свойства низкокипящих фтористых окислителей (токсичность, низкая тем­ пература кипения), внедрение их в ракетную технику позволит получить значительное повышение удельной тяги двигателя, что особенно важно для дальних и космических летательных аппара­ тов. Высококипящие фторсодержащие окислители (CIF3, BrFs) обеспечивают меньшую удельную тягу из-за содержания малоэф­ фективных окислительных элементов (С1 и Вг), но обладают большой весовой плотностью.

Большую удельную тягу могут обеспечить т о п л и в а на о с н о в е ж и д к о г о оз она . Удельная тяга двигателей на этих топливах примерно на 10% превышает удельную тягу топлив на основе жидкого кислорода. Однако возможность использования жидкого озона пока остается открытой, поскольку не найдены еще способы устранения его взрывоопасности.

Внедрение т о п л и в на о с н о в е т е т р а н и т р о м е т а н а позволит повысить энергетические характеристики топлив с высококипящими компонентами. Кроме того, тетранитрометан яв­ ляется малоагрессивной жидкостью. Это обстоятельство должно еще более облегчить условие содержания летательных аппаратов в .полной боевой готовности и позволить при этом в их конструк­ ции более широко,использовать иедефицитные конструкционные материалы. В связи с этим задайа подбора таких добавок к те­

72

транитрометану, которые сделали бы его физические свойства приемлемыми в эксплуатации, является актуальной.

П р и м е н е н и е в о д о р о д а и м е т а л л о в в к а ч е с т ­ ве г о р ю ч и х ЖРД. Выше отмечалась высокая эффективность водорода и ряда металлов. Топлива на основе 'водорода обеспечи­

Использование металлов в чистом виде в качестве горючих Ж РД встречает определенные трудности, так как при нормаль­ ных условиях они являются твердыми. Одним из путей их ис­ пользования является применение суспензий металлов в жидких горючих (например, в нефтяных горючих).. Другой путь — приме­ нение жидкостей, содержащих металлы в химически связан­ ном виде. Примеромтакого соединения является пентаборан.

§ 3.5. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ж и д к и х УНИТАРНЫХ т о п л и в

Выше отмечалось, что в качестве жидкого унитарного топли­ ва могут быть использованы индивидуальные жидкие вещества, способные к экзотермической реакции разложения, а также зара­ нее приготовленные смеси окислителя и горючего.

Общим свойством многих жидких унитарных топлив являет­ ся склонность этих веществ к переходу горения в детонацию, а также к детонации под воздействием различных факторов (удар, нагревание и др.). Эта склонность зависит от природы вещества.

Известно, что необходимым условием взрывчатого превра­ щения системы является положительный тепловой эффект реак­ ции. Поэтому часто склонность к взрывчатому превращению и си­ ла взрыва у веществ с одинаковой химической природой тем больше, чем выше их теплопроизводительность (теплота разло­ жения). Этим отчасти и объясняется, что взрывобезопасные уни­ тарные топлива обладают небольшой теплотворной способно­ стью и обеспечивают поэтому двигателю относительно невысокую удельную тягу.

Рассмотрим отдельные группы возможных унитарных топлив. Н и т р о с о е д и н е н и я и с л о ж н ы е э ф и р ы азот-, но й к и с л о т ы представляют собой органические соединения,

содержащие нитро-ИО* и нитратные-(Ж02 группы. Многие из этих веществ способны к экзотермической реакции разложения и довольно широко используются во взрывчатых веществах. Эти соединения содержат и горючие (С, Н) и окислительные (О) элементы. Реакцию разложения . (сгорания) этих веществ мож­ но представить, как разложение их на атомы и последующее окисление горючих элементов с образованием окислов.

73

Например, разложение метилнитрата происходит следующим образом:

,CH30 N 0 2-> С 02+ Н20 + — Н2+ — N2 ■

2 2

Ряд свойств таких веществ и, прежде всего, теплопроизводительность (теплота разложения) зависят от соотношения оки­ слительных и горючих элементов, содержащихся в них.

Втеории взрывчатых .веществ соотношение окислительных

игорючих элементов в 'веществе принято характеризовать вели­ чиной, называемой кислородным балансом.

Кислородным балансом называется избыток (положитель­ ный кислородный баланс) или недостаток (отрицательный кис­ лородный баланс) кислорода в веществе по сравнению с количе­ ством, необходимым для полного окисления горючих, содержа­ щихся в этом веществе.

Для единообразия материала в данной книге количественно кислородный баланс будет характеризоваться величиной, анало­ гичной коэффициенту избытка окислителя, а именно — коэффи­ циентом избытка кислорода.

Коэффициент избытка кислорода ot0 представляет собой

отношение количества килограммов кислорода, содержащегося в данном соединении, к количеству, необходимому для полного окисления горючих элементов.

Т а б л и ц а 3.10

Параметры нитросоединений и сложных эфиров азотной кислоты

В табл. 3.10 приведены некоторые нитросоединения и эфиры азотной кислоты и их параметры. Учитывая, что свойства про­ дуктов разложения этих веществ примерно одинаковы, для срав­ нительной качественной оценки их эффективности здесь приве­ дены лишь теплоты разложения. Из табл. 3.10 видно, что чем ближе с1о.2 к единице, тем выше теплота разложения вещества. Примерно эта закономерность наблюдается и в отношении взрыв­ чатых свойств этих соединений. Наиболее взрывобезопасные из

74

рассматриваемых веществ имеют кислорода значительно меньше,, чем это необходимо для полного окисления, и поэтому обладают недостаточной теплопроизводительностью. К числу таких относит­

ся изопропилнитрат, который, как видно из иностранных данных, используется-как унитарное топливо. Однако невысокие энерге­ тические параметры этого топлива делают его применение целе­ сообразным в основном для вспомогательных целей: для приво­

ны. Необходимо найти способы их стабилизации, которые, одна­ ко, не влияли бы существенно на их эффективность..

П е р е к и с ь в о д о р о д а к а к у н и т а р н о е т о п л и в о . Благодаря способности перекиси водорода разлагаться с выделе­ нием тепла и образованием парогаза (смеси пара НгО и газа Ог), она используется в качестве унитарного рабочего тела.

При разложении 100%-ной перекиси водорода выделяется 680 ккал/кг. Часть этого тепла идет на нагрев и испарение обра­ зующейся при разложении воды, поэтому низшая теплотворная способность равна 385 ккал/кг. Зависимость высшей и низшей теплотворной способности перекиси водорода от концентрации дана на фиг. 3.3. Как видно из приведенных данных, низшая теп­ лотворная способность 80—90%-ной перекиси водорода равна 180—280 ккал/кг, что позволяет получить в двигателях удельную тягу всего 100—130 кг.сек/кг-, поэтому такие двигатели неэконо­ мичны.

75

Перекись водорода как унитарное топливо применяется глав­ ным образом в качестве источника рабочего тела турбины ТНА. Разложение перекиси водорода происходит в специальном реак­ торе—газогенераторе. Для увеличения скорости разложения при­

ществ, известны и другие, которые при разложении выделяют тепло.

100°/оС2 Н5 ОН

Ф и г. 3.4. Диаграмма смесей перекиси водорода

сэтиловым спиртом н водой:

х—взрыв; о — взрыва нет

Некоторые из них (ацетилен С2Н0, азотистоводородная кис­ лота HN3 и др.) в силу взрывоопасности и других отрицатель­ ных свойств не могут быть применены в качестве топлива.

Определенный интерес представляют вещества, используе-' мые в качестве компонентов топлив раздельной подачи и облада­ ющие в то же время способностью разлагаться с выделением теп­ ла (например, диметилгидразин, гидразин и др.). Это обстоятель­ ство позволяет применить их как унитарное топливо для приво­ да турбины на двигателе, в котором это вещество используется как горючее основного топлива.

З а р а н е е п р и г о т о в л е н н ы е с м е с и о к и с л и т е л я и г о р юч е г о . Выше мы отмечали, что смеси окислителей и го­ рючих в широком интервале концентраций являются взрывоопас­ ными. Устранения взрывчатых свойств таких смесей возможно добавлением к ним инертных веществ, не участвующих в сгора­ нии, например, воды. Другим методом подавления взрывчатых свойств смесей окислителя и горючего является составление этих смесей с большим избытком горючего, т. е. при коэффициенте

76

избытка окислителя, значительно отличающемся от единицы. Ес­ тественно, что обе меры «едут к понижению теплопроизводительности смесей.

На фиг. 3.4 для лримера приведены результаты исследования взрывчатых свойств тройной смеси Н2О2—НгО—СгНоОН.

Стрелки на диаграмме7показывают направление отсчета. Так, например, смесь, отмеченная темной точкой, содержит: 45% Н20 , 35% С2Н5ОН и 20% Н2О2. Пунктирная линия пред­ ставляет собой геометрическое место точек стехиометрических смесей.

Из фигуры видно, что в случае смесей без добавки инертного вещества — воды (левая сторона треугольника) взрывобезопас­ ные концентрации соответствуют значительному избытку горю­ чего. Для случая стехиометрических смесей (пунктир) взрывобе­ зопасные концентрации возможны лишь при добавлении инерт­ ного вещества (в данном случае воды).

§ 3.6. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТВЕРДЫХ т о п л и в

Среди твердых ракетных топлив широкое применение получи­ ли так называемые пороха коллоидного типа. Основу этих порохов составляет нитроклетчатка (нитроцеллюлоза).

Нитроцеллюлоза — взрывчатое вещество, способное под воз- ’ действием различных факторов к взрывчатому разложению. Пу­ тем обработки нитроклетчатки некоторыми растворителями полу­ чают коллоидный раствор — желатиноподобную массу, которой придают дальнейшей обработкой большую плотность и различ­ ную форму. В таком виде коллоидные пороха обладают большой

с тем ухудшает способность нитроклетчатки растворяться в раст­ ворителях. Теплота разложения нитроцеллюлозы колеблется в пределах 700—1000 ккал/кг, в зависимости от содержания азо­ та. Она имеет отрицательный кислородный баланс (аоа =

= 0,57 -4-0,67). В порохах используется нитроцеллюлоза с со­ держанием азота от 11,8 до 13,35%.

В качестве растворителя в ракетных порохах наиболее ча­ сто применяется нитроглицерин. Коллоидные пороха, в которых

*в качестве растворителя применен нитроглицерин, называют так­ же нитроглицериновыми. Иногда дополнительно используют и другие растворители.

77

Увеличение процентного содержания нитроглицерина увели­ чивает теплотворную способность пороха и, следовательно, удельную тягу, так как его теплота разложения выше теплоты разложения нитроцеллюлозы.

Это связано, кроме того, и с тем, что благодаря положитель­ ному кислородному балансу нитроглицерина часть горючих элементов нитроцеллюлозы окисляется кислородом нитроглице­ рина. В известных коллоидных топливах, используемых в ракет­ ных двигателях, содержание нитроглицерина не превышает 30— 45%; ограничение нитроглицерина связано с физико-химически­ ми и эксплуатационными свойствами топлив.

Нитроглицериновые пороха могут быть кордитного типа (кордиты) и баллиститного типа (баллиститы).

Если при изготовлении используется хорошо растворимаянитроклетчатка с относительно небольшим содержанием азота (до 12,5%), то для желатинизации достаточно в качестве раство­ рителя использовать нитроглицерин, который после всех опера­ ций изготовления пороха остается в нем. Такие пороха называ­ ют баллиститами.

Если для изготовления пороха используется плохо раствори­ мая нитроцеллюлоза (с относительно высоким содержанием азо­ та), то для получения коллоидного раствора, кроме нитроглице'1 рина, приходится использовать и другой растворитель (например, ацетон), который в дальнейшем удаляется из пороха. Такие по­ роха называют кордитами. Технология изготовления кордитов сложнее и требует большего времени.

В состав ракетных коллоидных порохов, кроме основных компонентов — нитрата целлюлозы и растворителя, вводятся до­ бавки некоторых веществ, назначение которых: повышение ста­ бильности пороха (стабилизаторы), улучшение технологических свойств (пластификаторы), понижение скорости сгорания (флегматизаторы) и т. д. Удельная тяга двигателей на коллоидных топливах не превышает 230 кг сек/кг.

В последнее время в ракетную технику все шире стали внед­ ряться так называемые составные твердые топлива, изготавли­ ваемые путем механического смешения окислителя и горючего.

Вкачестве окислителей таких топлив используются твердые

внормальных условиях неорганические соли, содержащие боль­ шой процент свободного кислорода (перхлорат калия КС10.|,

перхлорат аммония NH.|C104, нитрат аммония NH4NO3 и некото­ рые др.).

В качестве горючих в этих топливах применяют вещества с высокой температурой плавления и высокой теплотворностью. Обычно для этих целей используются специальные синтетические соединения типа каучуков и пластмасс, тяжелые нефтепродукты (асфальтовый битум) и др. Так же, как и коллоидные, составные топлива содержат специальные добавки (стабилизатор, флегматизатор и лр.). '

78

г Л А В А IV

ПРОЦЕССЫ В КАМЕРАХ СГОРАНИЯ ЖРД

§4.1. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ КАМЕР СГОРАНИЯ

Вкамере сгорания Ж РД происходит выделение тепла в ре­ зультате реакции разложения или, чаще, реакцйи окисления и

образование горячих продуктов сгорания.

В большинстве случаев в камеру сгорания окислитель и го­ рючее поступают в жидком виде (фиг. 4.1,а). Этому типу камер сгорания в данной главе будет уделено основное внимание.

В некоторых двигателях в камеру сгорания в жидком виде поступает лишь часть топлива; другая часть топлива поступает в виде пара или газа (фиг. 4.1,6 не). Такой тип камер сгорания может встретиться на двигателях с дожиганием рабочего тела турбины. В этом случае рабочее тело после турбины подается в камеру сгорания (основную или дополнительную). На фиг.14.1,6 показана схема камеры с дожиганием рабочего тела турбины при работе газогенератора на смеси, богатой горючими ( а < 0,4), когда в газогенератор подается весь расход горючего, а в каме­ ру — только окислитель. Возможно применение газогенератора на смеси, богатой окислителем (а]> 4). В этом случае в камеру сгорания в жидком виде подается горючее или топливо с избыт-' ком горючего. Более подробно о схемах с дожиганием см. гл. XI.

Такой же вид камеры сгорания применяется на некоторых . двигателях, использующих в качестве окислителя перекись во­ дорода (фиг. 4.1,в). Перекись водорода вначале подается в газо­ генератор с твердым катализатором и разлагается; Образовав­ шийся парогаз затем поступает в камеру сгорания, куда по­ дается горючее (например, керосин). Такая организация процес­ са позволяет обеспечить самовоспламенение перекиси водорода и керосина, которые в жидком виде представляют несамовоспламеняющуюся комбинацию. ,

Важной задачей процесса в камере сгорания является об­ разование топливной смеси, что достигается обычно применением большого числа форсунок окислителя и горючего и соответству­ ющим их взаимным расположением. Форсунки чаще всего распо­

80