2.11.1.2. Тяговый комплекс рд

Тяговый комплекс – это отношение тяги ракетного двигателя к ее главной составляющей

(2.35)

Тяговый комплекс характеризует влияние РС на создание тяги, то есть он показывает – во сколько раз тяга РД больше ее главной составляющей, не связанной с РС.

В выражении 2.35 разделим числитель и знаменатель на секундный массовый расход газа и получим

(2.36)

При расчетном режиме работы РС

(2.37)

Так как с_с = f(F_c/F_кр), то и К_R = f(F_c/F_кр), то есть с увеличением геометрической степени расширения РС растет с_с, а, следовательно, увеличивается тяговый комплекс К_R. Чем выше значение К_R, тем больше роль РС в создании тяги РД.

Тяговый комплекс может принимать различные значения в зависимости от геометрических размеров РС и режима работы РД.

2.11.2. Ракетные топлива (рт)

2.11.2.1 Жидкие ракетные топлива (жрт)

Жидкое РТ – это вещество (совокупность веществ) в жидком состоянии, способное к химическим реакциям с выделением тепловой энергии и образованием газообразных ПС, создающих реактивную силу при истечении из РС.

Компонент ЖРТ (КРТ) – отдельно хранимая и подводимая к двигателю составляющая ЖРТ.

Преобразование химической энергии ЖРТ в тепловую происходит в результате окислительно-восстановительной реакции горения. Для осуществления этой реакции необходимо наличие двух компонентов:

1. окислительные – кислород (О₂), фтор (F), азот (N);

2. восстановительные – водород (Н), углерод (С), алюминий (Al), литий (Li), бор (В).

К качеству ЖРТ предъявляются следующие требования:

1

Рис. 2.31. Диапазон эксплуатационных температур: Т_пл – температура плавления;

Т_кип – температура кипения

. Пригодность КРТ по своим физико-химическим свойствам для использования в данном типе ракет, исходя из условий базирования и применения (рис. 2.31).

Диапазон от Т_пл до Т_кип должен быть шире, чем диапазон от Т_min до Т_max – температур эксплуатации, то есть: Т_пл < Т_min; Т_кип > Т_max.

Давление насыщающих паров p_S должно быть ниже максимально допустимого давления из условия прочности топливных баков при максимальной температуре эксплуатации Т_max.

При соблюдении данных условий возможно длительное хранение КРТ в баках ракет в жидком состоянии. Если ракета заправляется непосредственно перед стартом, то возможно использование криогенных топлив, у которых (Т_пл, Т_кип) < Т_min, но зато выше энергетика.

2. Высокие энергетические свойства и высокая плотность топлива, то есть возможность достижения высокого удельного импульса тяги при меньшем объеме топлива, что позволяет создать ракету минимальных габаритов и массы.

3. Соответствие современным технологиям:

- должна быть отработана технология хранения, эффективного и полного сжигания данных КРТ;

- желательно, чтобы КРТ обладали низкой вязкостью и высокой теплоемкостью (это важно для использования КРТ для охлаждения стенок КС и РС).

4. Высокие эксплуатационные качества, то есть высокие Т_{вспышки} и Т_{воспламенения}, низкие токсичность, гигроскопичность, растворимость воды, агрессивность, высокая физико-химическая стабильность.

5. Экономичность, то есть широкая сырьевая база, простая технология получения КРТ, двойное использование.

Физико-химические свойства КРТ приведены в таблице 2.1

Таблица 2.1

Компонент	Формула	ρ×103 кг/м3	Тпл, K	Ткип, K	Теплоемкость, Дж/кг·K	ПДК, мг/м3
Окислители:
Кислород	О2	1,14	54	90	1700	нетоксичен
Фтор	F2	1,51	53	85	1536	0,03
Азотная кислота	HNO3	1,50	230	359	1763	5
Перекись водорода	H2O2	1,43	272	424	2880	1
Четырех- окись азота	N2O4	1,44	262	294	1539	5
Горючие:
Водород	H	0,07	13,9	20,4	9460	нетоксичен
Гидразин	N2H2	1.00	275	387	3084	0,1
Несимметрич- ный диметил- гидразин	H2N-N(CH3)2	0,79	216	335	3280	0,1
Этиловый спирт	C2H5OH	0,78	159	351	2390	1000
Керосин	C7,21H13,29	0,84	210	500	2280	-
Аэрозин-50	50% N2H2 + 50% НДМГ	0,9	266	343	3000	0,1

Классификация ЖРТ приведена на рис. 2.32.

Рис. 2.32. Классификация жидких ракетных топлив

Унитарные – однокомпонентные ЖРТ, реакция окисления (разложения) которых начинается при нагреве (перекись водорода) или введении катализатора (гидразин).

Преимуществом унитарных ЖРТ является простая система подачи топлива в КС, однако они имеют низкую энергетику . Используются в основном во вспомогательных РД или газогенераторах (ГГ).

Многокомпонентные: - двухкомпонентные (горючее + окислитель); - трехкомпонентные (горючее + окислитель + энергетические добавки). В качестве энергетических добавок, повышающих температуру горения, используют порошки легких металлов (бериллий, литий, алюминий) и их гидриды.

Недостатком многокомпонентных ЖРТ является сложная система подачи топлива в КС, но они имеют более высокую энергетику, поэтому используются в маршевых РД.

Основные ЖРТ используются в маршевых РД для создания основной тяги.

Пусковые самовоспламеняющиеся ЖРТ, используются для поджига основного несамовоспламеняющегося топлива.

Вспомогательные ЖРТ используются в ГГ для создания рабочего тела для газовой турбины (ГТ), рулевых машин (РМ) и т.п.

Низкокипящие (криогенные) ЖРТ – это сжиженные газы ( ), кипящие при отрицательных температурах. Обладают высокой энергетикой, но не могут долго храниться в баках ракеты (испаряются при нормальной температуре окружающей среды).

Высококипящие ЖРТ сохраняют жидкое состояние во всем диапазоне эксплуатационных температур, но при этом обладают меньшей, чем криогенные ЖРТ энергетикой. Однако они более удобны в эксплуатации, особенно для стратегических ракет, находящихся на боевом дежурстве.

В современных маршевых РД ракет стратегического назначения используется штатное двухкомпонентное, высококипящее основное ЖРТ на основе следующих КРТ:

1. Горючее – НДМГ (несимметричный диметил-гидразин – "гептил") представляет собой бесцветную (светло-желтую) легко воспламеняющуюся жидкость, "дымящуюся" на воздухе. "гептил" имеет запах гниющей рыбы, крайне токсичен (предельно допустимая концентрация – мг/л).

2. Окислитель – АТ (азотный тетраксид – "амил") представляет собой красновато-коричневую сильно летучую жидкость с резким характерным запахом кислоты. Амил обладает сильным коррозионным действием на углеродистые стали и сильнейшим раздражающим и удушающим действием на человека. При соединении с НДМГ самовоспламеняется.

В маршевых двигателях ракет гражданского назначения используется как криогенное несамовоспламеняющееся РТ (керосин + жидкий кислород – ракетоносители космических кораблей "Союз", и "Прогресс"), так и самовоспламеняющиеся РТ (НДМГ+АТ – ракетоноситель "Протон").

Перспективы развития ЖРТ

Исследования в области создания новых топлив для РД, направлены, в основном, на улучшение энергетических показателей и эксплуатационных качеств.

Низкая плотность Т_кип жидкого водорода затрудняют его использование в космических летательных аппаратах (КЛА) для продолжительных полетов. В связи с этим представляется перспективным применение «шугообразного водорода», имеющего повышенную плотность и время хранения.

Низкомолекулярные углеводороды, такие как метан, этан, пропан в жидком состоянии, имеющие очень низкую стоимость, широкую сырьевую базу и являющиеся хорошими хладогентами, могут с успехом применяться в ракетоносителях

Самую высокую энергетическую эффективность и сравнительно высокую плотность имеют топлива на основе жидкого фтора в качестве окислителя и водорода в качестве горючего (I = 4800 м/с). Однако его использование затруднено крайне высокой токсичностью и агрессивностью фтора.

Большой интерес вызывает использование в качестве горючих легких металлов, таких как бериллий, литий, алюминий и их гидридов. При горении этих металлов в кислороде О₂ выделяется больше теплоты, чем при горении водорода Н. Добавки этих металлов к жидким горючим способны увеличивать удельный импульс тяги I топлив на 25%.

Однако возникают трудности с хранением и подачей металлов в КС РД. Проблему хранения однородной суспензии металлов в жидком горючем решают путем «гелирования» Превращение жидких компонентов в гелеобразные осуществляют с помощью добавок загустителей в виде высших полимеров и жирных кислот. Гель в статических условиях ведет себя как твердое тело, а при нагреве и приложении сдвиговых усилий (работа насоса) начинает течь подобно жидкости.

Таким образом, достижения в области химии и технологии позволяют создать эффективные топлива и обеспечить надежное обращение с ними. В тоже время следует иметь в виду, что в решении задачи создания новых видов топлива современная химия практически достигла предела по объективным причинам. А новые технологии позволяют только незначительно повышать качество топлива, не обеспечивая радикальный прорыв в этой области.

В связи с выше сказанным, следует, что наряду с работами по улучшению существующих топлив и поиску новых, необходимо подумать о принципиально новом подходе к решению задачи повышения удельного импульса тяги в несколько раз, а не только на несколько процентов.