Энергетические характеристики жидких топлив и определение основных параметров камеры ЖРД (96

Коэффициент тяги в пустоте показывает, во сколько раз тяга камеры двигателя больше основной составляющей тяги pкFкр, в соответствии с выражением

По полученным значениям γ, Fa/Fкр и pк/pa из таблицы выбирают значение коэффициента пустотной тяги Kт.п (приложение 2).

Далее по формуле (3.2) вычисляют значение удельного импульса тяги.

4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВ

4.1. Окислители

Жидкий кислород

Жидкий кислород представляет собой криогенную прозрачную жидкость без запаха с голубоватым оттенком. Из экономических соображений основным промышленным способом его получения является разделение жидкого воздуха, основанное на небольшой разности температур кипения кислорода (примерно 90 К) и азота (примерно 81 К).

Чистоту жидкого кислорода нормирует ГОСТ 6331–78. Основной примесью (до 0,3…0,5 %) является азот, остальные примеси присутствуют в незначительных количествах.

11

Кислород нетоксичен, но длительное пребывание в его среде не рекомендуется. Контакт с жидким кислородом может привести к обморожению.

Жидкий кислород не горит, но энергично поддерживает горение. Он может насыщать одежду и пористые материалы, что приводит к их интенсивному горению или взрыву при ударном или тепловом воздействии. Контакт жидкого кислорода с нефтяными маслами всегда вызывает взрыв. Весьма взрывоопасной является «гремучая смесь» — смесь кислорода с водородом. Вследствие этого кислород относят к пожаро- и взрывоопасным веществам.

В отношении коррозии металлов жидкий кислород практически безопасен. Однако при охлаждении многих металлов до температуры кипения кислорода они становятся весьма хрупкими, снижается их сопротивляемость нагрузкам. Удовлетворительные механические свойства при этой температуре имеют хромоникелевые стали, медь и ее сплавы, алюминий, его сплавы и ряд других материалов. Для металлических прокладок используют свинец, чистый алюминий и медь. Из неметаллических материалов применяют фторопласты, винилпласты, тефлон, асбест, специальные сорта резины.

Азотный тетроксид

Окислитель, называемый азотным тетроксидом (АТ), в действительности представляет собой равновесную смесь тетроксида и диоксида азота. С ростом давления и уменьшением температуры доля АТ повышается, а диоксида азота — соответственно уменьшается.

12

Промышленное производство АТ основано на его выделении из нитрозных газов, образующихся, как и в случае производства азотной кислоты, при каталитическом окислении аммиака.

АТ по токсичности превосходит азотную кислоту. Его пары сильно поражают глаза, дыхательные пути и кровь, вызывают общее отравление.

Взрыво- и пожароопасные свойства АТ проявляются при контакте с некоторыми органическими веществами, например, с углеводородными горючими и с продуктами, с которыми он самовоспламеняется.

Чистый АТ менее агрессивен по отношению к конструкционным материалам, чем азотная кислота. Попадание в него воды (при этом образуется азотная кислота) резко увеличивает его коррозионную активность. Из металлических материалов применяют хромоникелевые стали, алюминий и его сплавы, бронзу, латунь, цинк. Из неметаллических материалов используют асбест, керамику, стеклоткани, тефлон, фторопласты.

Физико-химические константы азотного тетроксида

Жидкий фтор

Основной способ промышленного производства фтора — электролиз раствора фтористого калия в безводном фтористом водороде, который, в свою очередь, получают обработкой плавикового

13

шпата, или флюорита CaF2, серной кислотой. Сжижают фтор, охлаждая его жидким азотом.

Жидкий фтор имеет желтоватую окраску, исчезающую по мере понижения температуры и его затвердевания.

Фтор относится к весьма токсичным веществам. Он поражает кожу, слизистые оболочки глаз и дыхательных путей, обладает паралитическим действием.

Исключительная химическая активность фтора обусловливает его высокую взрыво- и пожароопасность. Он энергично взаимодействует, часто самовоспламеняясь, со многими органическими и неорганическими веществами. Большинство реакций начинаются при нормальной температуре или при небольшом подогреве.

Коррозионная активность фтора очень высока, поэтому необходим тщательный выбор конструкционных материалов. При этом нужно дополнительно учитывать воздействие низких температур, свойственных криогенным продуктам. Лучшими конструкционными материалами являются никель и его сплавы. Устойчивы в среде жидкого фтора хромоникелевые и хромистые стали, алюминий, медь и ее сплавы. Недопустимо применять металлы, содержащие кремний и ниобий. Из неметаллических материалов достаточно стабильны керамика из фтористого кальция или корунда, графит, кварц, некоторые виды стекла. Для уплотнения используют отожженную медь, алюминий, фторопласты.

Физико-химические константы жидкого фтора

14

4.2. Горючие

Гидразин

Гидразин — один изпредставителей наиболеераспространенных, так называемых гидразинных, горючих. Основной примесью в нем является аммиак — до 0,3 %. Известны две группы способов получения гидразина. В одной из них в качестве исходного продукта предполагается использование аммиака (пиролиз, фотолиз и пр.), другая основана на восстановлении соединений, содержащих связь «азот — азот» (азотноватистаякислота H2N2O2, нитрамидH2N2NO2 и др.).

При нормальных условиях гидразин представляет собой жидкость с аммиачным запахом и высокой степенью токсичности. Ее действие проявляется как при попадании внутрь организма, в том числе через дыхательные органы, так и при наружном контакте с кожей. При этом возникают тяжелые и даже смертельные отравления. Защитные меры предосторожности при работе с гидразинными горючими предусматривают использование специальной одежды и противогазов для исключения непосредственного контакта с веществом и его парами.

Гидразин является легковоспламеняющейся жидкостью, пары которой образуют с воздухом взрывоопасную смесь. Снижение пожаро- и взрывоопасности достигается наддувом баков с горючим азотом или инертными газами. При оценке пожароопасности следует учитывать, что гидразин в присутствии катализаторов, а таковыми являются оксиды железа, медь и ее оксиды, молибден и ряд других материалов, разлагается с выделением большого количества теплоты. Это обстоятельство ограничивает широкое использование гидразина в качестве горючего. В чистом виде гидразин применяется как унитарное топливо.

Из конструкционных материалов используют коррозионностойкие стали, кроме тех, которые содержат более 0,5 % молибдена, вольфрама или ванадия, а также алюминий и его сплавы, титан, никель. Не допускается применять металлы, содержащие медь и ее сплавы, цинк, свинец, хром и их оксиды. Для пайки следует применять припои на основе серебра. В качестве прокладочных материалов используют фторопласты, силиконовые резины, бутилкаучук, полиэтилен.

15

Несимметричый диметилгадразин

Несимметричный диметилгидразин (НДМГ) — еще один представитель так называемых гидразинных горючих. Основными примесями в нем являются диметиламин (CH3)2NH (до 1,1 %) и

(CH3)2N2CH2 (до 1,8 %).

При нормальных условиях НДМГ представляет собой жидкость с аммиачным запахом и высокой степенью токсичности. Ее действие проявляется как при попадании внутрь организма, в том числе через дыхательные органы, так и при наружном контакте с кожей. При этом возникают тяжелые и даже смертельные отравления. Защитные меры предосторожности при работе с гидразинными горючими предусматривают использование специальной одежды и противогазов для исключения непосредственного контакта с веществом и его парами.

НДМГ — легковоспламеняющаяся жидкость, ее пары образуют с воздухом взрывоопасную смесь. Снижение пожаро- и взрывоопасности достигается наддувом баков с горючим азотом или инертными газами. При оценке пожароопасности следует учитывать, что НДМГ в присутствии катализаторов (оксиды железа, медь и ее оксиды, молибден и ряд других материалов) разлагается с выделением большого количества теплоты. Это ограничивает использование гидразина в качестве горючего.

Из конструкционных материалов используются коррозионностойкие стали, кроме тех, которые содержат более 0,5 % молиб-

16

дена, вольфрама или ванадия, а также алюминий и его сплавы, титан, никель. Не допускается использовать металлы, содержащие медь и ее сплавы, цинк, свинец, хром и их оксиды. Для пайки следует применять припои на основе серебра. В качестве прокладочных материалов используют фторопласты, силиконовые резины, бутилкаучук.

Жидкий водород

Жидкий водород получают глубоким охлаждением газообразного водорода, его дросселированием, конденсацией с помощью гелия и др. Сырьем для промышленного производства водорода служат природные газы (метан, пропан и др.) и газы нефтепереработки. Достаточно чистым (99,7 …99,9 %) водород получается при электролитическом разложении воды, но этот способ требует больших энергозатрат, что пока ограничивает его широкое применение.

Водород в смеси с воздухом и кислородом обладает высокой пожаро- и взрывоопасностью. Он не токсичен, но и не поддерживает жизненных процессов. Контакт жидкого водорода с кожей мгновенно вызывает ее глубокое обморожение.

В качестве конструкционных материалов для работы в условиях низких температур, свойственных жидкому водороду, нельзя использовать углеродистые стали, так как они становятся весьма хрупкими. Для этих целей применяют коррозионно-стойкие стали, малоуглеродистые стали с добавкой никеля, алюминий и его спла-

17

вы, медные сплавы титан и др. Из неметаллических материалов используют фторопласты, отдельные виды стекла, стеклопластики. Водород обладает высокой проникающей способностью и требует особых мер обеспечения герметичности сварных швов, соединений и даже сплошных листовых материалов.

Герметичность баков для жидкого водорода чаще всего контролируют наддувом холодным гелием или газообразным фтором (так называемый химический наддув).

Перспективно использование в качестве горючего «водородной шуги», т. е. двухфазного твердо-жидкого водорода, содержащего 50 % и более твердых частиц размером 1…5 мм.

Характерной особенностью физических свойств жидкого водорода является их сильная зависимость от температуры и от давления.

Физико-химические константы жидкого водорода

Керосин

Керосин Т-1 представляет собой смесь (раствор) индивидуальных углеводородов, получаемых прямой перегонкой нефти. Основными его компонентами являются нафтеновые (до 60 %), па-

18

рафиновые (до 25 %) и ароматические (до 25 %) углеводороды. Фракционный состав и основные характеристики керосина Т-1 определяет ГОСТ 10227–62.

Керосин — желтовато-зеленоватая жидкость с характерным запахом и слабой степенью токсичности. При попадании на кожу керосин относительно безвреден, если его достаточно быстро удалить. Длительное воздействие керосина вызывает острые и хронические заболевания кожи. Вследствие большой летучести керосин опасен в пожарном отношении, особенно его брызги и пары, которые легко воспламеняются в воздухе при относительно низкой температуре.

Углеводороды, входящие в состав Т-1, не обладают коррозионной активностью. Однако примеси в виде органических кислот, щелочей, воды и сернистых соединений могут вызвать коррозию, особенно черных металлов. Керосин вызывает набухание, а затем разрушение обычных (немаслостойких) сортов резины и кожи, из которых изготовляют уплотнения. Другие прокладочные материалы применяются без ограничений.

При длительном хранении и нагреве в охлажденном тракте образуются смолистые вещества, которые могут выпадать в осадок. Это связано с процессами окисления сернистых и азотистых примесей, а также с уплотнением растворенных в керосине смол. С повышением общего давления значительного изменения количества образующихся осадков не наблюдается. При повышении температуры металлы являются катализаторами осадкообразования. Наибольшее влияние оказывают медь и ее сплавы.

В процессе кипения температура керосина не остается постоянной. Сначала испаряются углеводороды с высоким давлением насыщенных паров. При повышении температуры происходит закипание более устойчивых фракций.

Общей тенденцией изменения физических свойств керосина с ростом температуры является снижение плотности, теплопроводности, вязкости и возрастание давления насыщенных паров и теплоемкости.

19

Метан

Метан — газ без цвета и запаха, легче воздуха, малорастворим

вводе. Предельные углеводороды способны гореть, образуя диоксид углерода и воду. Метан горит бледным синеватым пламенем.

Всмеси с воздухом метан образует взрывчатые смеси. Поэтому он опасен как в бытовых, так и в промышленных условиях (например, в шахтах).

Метан широко распространен в природе. Он является главной составной частью многих горючих газов — как природных (90…98 %), так и искусственных, выделяющихся при сухой перегонке дерева, торфа, каменного угля, а также при крекинге нефти.

Метан выделяется со дна болот и из каменноугольных пластов

врудниках, где он образуется при медленном разложении растительных остатков без доступа воздуха. Поэтому метан часто называют болотным газом или рудничным газом.

Благодаря большой теплотворной способности метан в больших количествах расходуется в качестве топлива.

Большое промышленное значение имеет окисление высших предельных углеводородов-парафинов с числом углеродных атомов 20–25. Этим путем получают синтетические жирные кислоты с различной длиной цепи, которые используются для производства мыл, различных моющих средств, смазочных материалов, лаков и эмалей.

Жидкие углеводороды используются как горючее, они входят в состав бензина и керосина.

20