11.МЕТОДЫ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ТОПЛИВ

Об о з н а ч е н и я

А— площадь;

В — поток лучистой энергии; С — центробежная сила; с — константа;

CF — коэффициент тяги;

сР— удельная теплоемкость при постоянном давлении;

w — секундный весовой расход топлива;

а — коэффициент формы (а=1 для сферической частицы);

у — показатель адиабаты расширения продуктов сгорания в сопле;

т] — коэффициент вязкости;

в сопле на неравномерность течения (двумерность те­ чения) ;

р — плотность; со — угловая скорость.

Индекс с относится к параметрам продуктов сгорания в ка­ мере сгорания, е — в выходном сечении сопла и а — к парамет­ рам окружающей среды.

11.1. ВВЕДЕНИЕ

Испытания топлив на конечной стадии их разработки — един­ ственный надежный метод проверки теоретических характери­ стик. Испытания либо подтвердят справедливость расчетов и воз­ можность применения данного топлива, либо выявят неиссле­ дованные ранее проблемы.

Помимо абсолютных величин характеристик, можно опреде­ лить импульсные к. п. д., обеспечиваемые данным топливом. Если эти величины слишком малы, то теоретические данные либо не точны и должны быть пересмотрены, либо существует некото­ рое явление, являющееся причиной потерь. Обнаружить и устра­ нить причины таких потерь можно только экспериментальным путем на исследовательской и доводочных стадиях разработки топлива. В результате это приведет к существенному улучшению характеристик.

11.2. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ

Полезно располагать надежными лабораторными методами исследований на маломасштабных установках, результаты кото­ рых можно увязать с результатами огневых испытаний двигате­ лей. В этом случае достигается экономия времени, материалов и средств, что позволяет увеличить количество испытаний, и пре­ дотвращается опасность выбора неправильного пути исследо­ вания.

Было разработано несколько надежных лабораторных мето­ дов исследования топлив. Бомба Кроуфорда, рассмотренная в разд. 10.4, является одним из устройств, которые используются при определении скоростей горения топлива.

11.3.ИССЛЕДОВАНИЯ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ТОПЛИВ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ

ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ ПЕЧИ

Электродуговая отражательная печь — универсальное и на­ дежное устройство для исследования воспламенения топлив. До­ лан [15] описал конструкцию электродуговой печи, обеспечиваю­ щей как большие, так и промежуточные величины теплового по­ тока, с вращающимися дисками-затворами для точного регули­ рования продолжительности импульса, с универсальным дер­ жателем образца для проведения исследований под давле­ нием и с устройствами для точного фокусирования лучистой энергии.

Обычно при исследовании воспламенения топлив используют большие потоки лучистой энергии, так как тепловые потери ми­ нимальны при больших величинах силы тока. Большие потоки энергии получают с помощью специальных угольных катодов при соответствующей настройке выпрямителя и механизма автомати­ ческой подачи.

Метод исследования воспламенения топлив заключается в проведении серии испытаний на пределе воспламенения, по ре­ зультатам которых статистически определяется пороговая энер­ гия воспламенения как энергия воспламенения 50% образцов. Эту величину получают, меняя от испытания к испытанию про­ должительность импульса энергии. Продолжительность импульса энергии регулируется тремя вращающимися дисками, располо­ женными в области наименьшего сечения светового луча, как показано на фиг. 11.1. В то время как средний диск делает один оборот, высокоскоростной диск совершает 16 оборотов, а за время 16 оборотов среднего диска медленно вращающийся диск делает один оборот. Число оборотов дисков регулируется с по­ мощью бесступенчатой передачи. У края каждого диска про­ сверлено отверстие диаметром 5,1 см, и когда отверстие мед­ ленно вращающегося диска занимает положение стрелок в две­ надцать часов, все три отверстия совмещаются, и образец топ­ лива, установленный в держателе, воспринимает импульс энер­ гии. Образец диаметром 9,5 мм и толщиной 6,4 мм помещают на подставку, находящуюся в держателе, и заключают в стеклян­ ную трубку из стекла пирекс наружным диаметром 19 мм, про­ пускающую лучистую энергию. С помощью тонкого луча света,

исходящего из источника, помещенного вместо угольного катода, определяется положение образца, в котором он получает наи­ большее количество энергии. Лучистая энергия печи опреде­ ляется с помощью медного дискового калориметра. Небольшой медный диск такого же диаметра, как и образец топлива, поме­ щают в держатель образца. К задней стороне диска припаивают термопару из тонких проволочек, с помощью которой опреде­ ляется температура диска непосредственно после поступления

5

ров; 9 — затвор; 10 — механизм подачн угольных стержней; 11 — выпрямитель; 12 — анод.

импульса энергии. Для уменьшения отражательной способности диска его покрывают угольной сажей в восстановительном газо­ вом пламени. Тепловая энергия печи определяется по формуле

связывающей поток энергии с массой диска т , удельной тепло­ емкостью cv, приращением температуры АГ, площадью облу­ чаемой поверхности А и продолжительностью импульса энергии t. Затем можно вычислить энергию воспламенения в любом опыте, умножив известную величину потока энергии, на продолжитель-

ность импульса. Развертка кривой электродвижущей силы по времени на экране осциллоскопа регистрируется кинокамерой. По этой развертке можно точно определить приращение температуры диска. Печь периодически калибруется с помощью этого прибора.

Испытания показали, что экспериментальные данные хорошо согласуются с действительными значениями энергии воспламе­ нения топлива в ракетных двигателях и могут использоваться в качестве исходных данных при проектировании двигателей.

Фиг. 11.2. Результаты исследования воспламенения углеводородного топ-

лива с помощью электродуговой отражательной печи.

С помощью этого метода можно точно определить влияние да­ вления, температуры, старения топлива, характеристик поверх­ ности и изменения состава топлива на процесс воспламенения. На фиг. 11.2 представлен типичный график зависимости энергии воспламенения от времени старения топлива и температуры по­ верхности. Он построен по данным, полученным с помощью электродуговой отражательной печи. В этих испытаниях исполь­ зовалось смесевое твердое топливо с углеводородным горючимсвязующим.

11.4. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ТЕРМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Дифференциальный термический анализ — эти метод измере­ ния тепловых эффектов, связанных с физическими и химиче­ скими изменениями, которые происходят при нагревании веществ или их смесей. Нагревание проводят с постоянной скоростью, обычно 10 град!мин, когда хотят получить качественные резуль­ таты, или со скоростью 1 град/мин, когда требуются количествен­ ные результаты. Регистрируемые тепловые изменения могут быть эндотермическими (образец поглощает тепло) или экзотермиче­ скими (образец отдает тепло). Эндотермическими являются фа­ зовые переходы, например изменения кристаллической структуры веществ, плавление, испарение, сублимация, обезвоживание и некоторые реакции разложения, в то время как большинство реакций окисления и некоторые реакции разложения являются экзотермическими.

Обычная кривая нагревания представляет собой график тем­ пературы образца в зависимости от времени. При постоянной скорости нагрева температура возрастает по линейному закону. Когда начинается эндотермический процесс, наклон кривой уменьшается (в предельном случае до нуля) до завершения про­ цесса, и после этого возобновляется прежний ход кривой. Наклон конечного участка кривой может отличаться от начального, если теплоемкость образца изменилась. Когда начинается экзо­ термический процесс, крутизна кривой возрастает, так как выде­ ляющееся в процессе реакции тепло добавляется к теплу, полу­ чаемому образцом от печи. При дифференциальном термическом анализе одинаково нагревают образец и термически инертное вещество (обычно окись алюминия) и измеряют не абсолютную температуру, а разность их температур. Тогда эндотерма будет изображаться пиком, направленным в одну сторону, в то время как пик экзотермы направлен в противоположную сторону. Коли­ чество и положение пиков можно использовать для качественного анализа, а площади под кривыми пропорциональны тепловым эффектам. Кривые результатов нагрева и дифференциального термического анализа для одного и того же вещества представ­ лены на фиг. 11.3.

Метод термического анализа был разработан в конце XIX сто­ летия Ле Шателье [30] и был дополнен дифференциальным мето­ дом Робертс— Остина [37, 38]. Этот метод был применен к иссле­ дованию глин и минералов в начале XX столетия и в настоящее время является стандартным способом исследования многих веществ. Гордон и Кэмпбелл [24] использовали метод термиче­ ского анализа для исследования неорганических окислителей. Современное экспериментальное оборудование позволяет сейчас применять этот метод для проведения очень точных измерений.

Образец, установленный в держателе, помещают в нагрева­ тельный блок, обычно изготовленный из тугоплавкого металла или керамики. Держатель и блок могут влиять на результаты измерений, и поэтому надо тщательно выбрать нужные мате­ риалы и не менять держатель в процессе проведения серии свя­ занных между собой испытаний. Для нагрева используют печь,,

Фиг. 11.3. Графическое представление результатов на­ грева (верхняя кривая) и дифференциального терми­ ческого анализа (нижняя кривая) одного и того же псщества.

а для измерения температур образца и эталонного вещества — термопары. При исследовании органических соединений печь можно нагревать инфракрасной лампой, а для получения высо­ ких температур обычно применяют омические тепловыделяющие элементы. Разность температур записывается х—(/-самописцем (разность температур в зависимости от температуры образца) или обычным самописцем (разность температур в зависимости от времени). В последнем случае, как правило, одновременно записывается температура образца.

Аппаратура и методы исследований описаны в работах [26, 45 и 46].

с газами, связанные с увеличением веса, а также испарение, десорбцию, сублимацию, обезвоживание, десольвацию, разложе­ ние с выделением газа, связанные с потерями веса.

Этот метод в основном применяется для определения интервалов температур сушки и при количественном исследовании вы­ сокотемпературных реакций и термической стабильности.

Метод термогравиметрического анализа был предложен Хонда [27] в 1915 г. Однако первые записывающие термовссы были сконструированы Шевенаром и др. [7] в 1944 г. и появи­ лись в послевоенные годы. Прибор записывает показания на фо­ топленку, но его можно приспособить и для электронной записи, как это было сделано Гордоном и Кэмпбеллом [24].

11.6.ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ КАЛОРИМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

При дифференциальном термическом анализе нагревают об­ разец и эталонное вещество и измеряют разность их температур. Однако можно компенсировать эту разность температур путем подвода дополнительного тепла к образцу или эталонному веще­ ству, так что образец и эталонное вещество будут иметь одина­ ковые температуры. Необходимые для этого величины подводи­ мой электрической энергии соответствуют изменениям энталь­ пий образца и эталонного вещества.

Этот тип прибора разработан [36] и имеется в продаже под названием «дифференциальный развертывающий калориметр». Так как этот прибор является сравнительно новым, мы не можем дать оценку его характеристик, но, вероятно, он станет хоро­ шим инструментом для проведения термического анализа.

11.7. ИЗМЕРЕНИЕ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ

Измерение размеров частиц твердых веществ, используемых в ракетных топливах, имеет первостепенное значение. Размеры частиц твердых фракций в твердом ракетном топливе влияют на его насыпную плотность и тем самым на способность обволаки­ вания частиц жидкими полимерами с образованием сплошной жидкой фазы. Следовательно, плотность «упаковки» смеси ока­ зывает влияние на технологичность топлива. Иногда приходится использовать частицы различных размеров (бимодальное или полимодальное распределения), чтобы получить оптимальные

«упаковки» и технологичность.

С изменением размеров частиц изменяется суммарная пло­ щадь поверхности контакта компонентов и, следовательно, ско­ рость протекающих реакций. Поэтому для обеспечения воспроиз*

водимости необходимого качества топлив длительного хранения требуется строгий контроль размеров частиц. Еще важнее то обстоятельство, что с изменением скорости реакции изменяется

для приемочных проверок. Некоторые методы дают возможность определить только средний размер частиц, а другие— распреде­ ление частиц по размерам. И наконец, некоторые методы позво­ ляют измерить внешние размеры, а другие — непосредственно оп­ ределить реакционноспособную поверхность. Выбор типа измере­ ний определяется кругом интересующих вопросов при конкрет­ ном применении и степенью влияния изменения размеров частиц на контролируемый параметр.

11.8. СЧЕТ ЧАСТИЦ ПОД МИКРОСКОПОМ

Непосредственный метод измерения размеров частиц — опре­ деление их размеров под микроскопом путем сравнения с ячей­ ками калиброванной координатной сетки, нанесенной на пред­ метное стекло микроскопа. Теоретически предел применимости микроскопических методов не ограничен и с их помощью можновыполнять любые измерения: распределение по размерам, сред­ ний размер, форма, кажущаяся пористость и т. д. На практике этот метод оказывается сложным и трудоемким и не пригоден для всех случаев, а может служить для качественной визуальной оценки типа исследуемых частиц.

Разработана стандартная методика проведения микроскопи­ ческих измерений [1, 29], в которой описаны способы подготовки, рассеивания, закрепления, наблюдения, подсчета и определения размеров частиц образцов, но обычно этот метод недостаточно­ строг и его применение требует большого искусства.

11.9. СИТА

Чаще всего для измерения размеров частиц используются сита. С их помощью нельзя определить ни средний размер ча­ стиц, ни их распределение по размерам в обычном смысле, а только распределение по интервалам размеров. И тем не ме­ нее благодаря простоте этого метода он часто используется. Обычно применяется серия сит, известная под названием «стан­ дартные мелкие сита США» (табл. 11.1). Эта серия сит введена Национальным бюро стандартов США в 1938 г. [33]. Они по су-

ществу не отличаются от сит Тайлера, хотя могут иметь другое назначение.

Сита калибруют одним из трех методов. Первый метод заклю­ чается в измерении отверстий в ситах под микроскопом [2, 13], и его обычно применяют изготовители. При калибровке по вто­ рому, общему, методу используются тщательно отобранные по размерам стеклянные шарики [5], предоставляемые Националь­ ным бюро стандартов США. Этот метод обычно применяют потребители, которым приходится периодически проверять изно­ шенные сита. Однако, как оказалось, оба эти метода непригодны для исследования некоторых образцов, содержащих частицы

необычной формы. Более крупные, чем отверстия, частицы непра­ вильной формы могут пройти через них, а некоторые более мел­ кие частицы могут застрять в них [28]. Для обеспечения точных измерений необходимо калибровать сита образцами исследуемого вещества, размеры и распределения по размерам которых изве­ стны на основании других измерений.

Чаще всего сита применяются при сортировке частиц веще­ ства по размерам, когда необходимо получить фракцию с опре­ деленным диапазоном размеров частиц для ракетного топлива. Другие способы разделения связаны с большой затратой времени или малопроизводительны. При изготовлении топлива после оценки влияния расширенного диапазона распределения частиц по размерам можно ограничиться выбором определенного метода измельчения, но на ранней стадии изготовления следует удалять инородные фракции.

11.10. ЗАКОН СТОКСА

При измерении размеров частиц методом осаждения на них обычно действуют два типа сил: гравитационные и центро­ бежные.

В гравитационном поле результирующая осаждающая сила, действующая во взвеси на твердую частицу, равна разности силы тяжести, приложенной к частице, и подъемной силы среды

Так как т — эффективная, а не абсолютная масса частицы, то уравнение (11.3) можно написать в следующем виде:

Из уравнений (11.2) и (11.4) следует, что результирующая сила равна произведению эффективной массы частицы, равной объему частицы, умноженному на разность плотностей, и ускорения силы поля. В поле центробежных сил величина со2/? равна квадрату уг­ ловой скорости, умноженному на расстояние частицы от оси вра­ щения; в гравитационном поле величина g — местное ускорение силы тяжести.

При движении частицы возникает сила сопротивления ее дви­ жению. Используя законы гидродинамики и некоторые упрощаю-

где D — размер несферической частицы, осредненный по всем возможным направлениям; а = 1 для сферической частицы. Раз­ мер D несферической частицы можно определять из уравнений (11.7) и (11.8)

2 мк, из-за длительного времени их осаждения в гравитационном поле) конечная скорость частиц равна

11.11. ВОЗДУШНЫЙ АНАЛИЗАТОР РОЛЛЕРА

Метод сепарации воздухом, используемый в воздушном ана­ лизаторе Роллера [39, 40], противоположен методу осаждения. Струя воздуха проходит через слой порошкообразного материала. Предполагается, что из слоя выдуваются все частицы, размер которых равен или меньше стоксовского размера при конечной скорости частиц, равной скорости струи воздуха. Сепарацию можно осуществить в несколько этапов и получить классифика­ цию частиц, или их распределение по размерам. На фиг. 11.5 и 11.6 показан серийный прибор для проведения анализов такого типа. Основная трудность, возникающая при использовании этого метода, связана с необходимостью регулирования скорости воз­ духа. Трудно регулировать и поддерживать ламинарное движе­ ние частиц — оно может нарушаться при движении по каналам, приводя к ошибкам принятой средней скорости и, следовательно, полученных размеров частиц. Кроме того, с помощью этого ме­ тода нельзя получить непрерывное распределение частиц по раз­ мерам. Обычно получают ряд фракций, каждой из которых при­ сваивается некоторый средний размер. Полный анализ образца требует много времени, что является серьезным недостатком ме­ тода при практическом применении.

этому объявленная точность прибора ±3% маловероятна, но преимущество быстрого автоматического способа получения кривой распределения частиц по размерам в большинстве случаев с удовлетворительной воспроизводимостью позволяет рекомендовать этот прибор для проведения исследований.

11.13. ПИПЕТКА

Пипеточный метод был разработан Андреасеном [3, 41]. Он заключается во взятии пробы взвеси на определенной* глубине в процессе осаждения и анализе твердой фазы отобранной пробы. Обычно считают, что присущие этому методу неустранимые по­ грешности, связанные с внесением возмущений при отборе пробы, сводят на нет его основное преимущество — дешевизну.

11.14. ГИДРОМЕТР

Это быстрый и дешевый метод [41], но ему также присущ не­ достаток— неустранимая погрешность, который ограничивает его применение лишь приближенной оценкой. По существу делается предположение, что разница в плотности между чистой жидко­ стью и суспензией пропорциональна концентрации фазы.

11.15. НЕФЕЛОМЕТР

Этот метод [32, 41, 44)] основан на предположении, что рас­ сеяние света данной массой частиц, содержащихся в суспензии и осаждающихся в соответствии с законом Стокса, связано опреде­ ленным соотношением с размером частиц. При этом находят за­ висимость поглощения света от времени и по этой зависимости вычисляют концентрацию частиц разных размеров. Среду, в ко­ торой осаждаются частицы, меняют, чтобы можно было опреде­ лять различные размеры частиц. Метод считается надежным, хотя

исвязан с затратами времени на проведение обычных анализов.

11.16.ПРОНИЦАЕМОСТЬ.

ПРИБОРЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ, МЕНЬШИХ ЧЕМ ЯЧЕЙКИ СИТ

Самый простой и быстрый метод определения размеров ча­ стиц порошков, метод измерения проницаемости, впервые приме­ нен для работоспособного прибора Гуденом и Смитом [23]. Суть метода состоит в следующем: через слой порошка пропускают воздух и измеряют его секундный расход и падение давления при

11.21. УДАРНАЯ ТРУБА

Ударная труба представляет собой устройство, в котором при внезапном истечении газа с высоким давлением в газ с меньшим давлением образуется плоская ударная волна. В то же время в обратном направлении в газе с высоким давлением движется волна разрежения (со скоростью звука). В идеальном случае температура газов внезапно увеличивается во фронте ударной волны, сохраняется постоянной вплоть до поверхности контакта между двумя газами, быстро падает в этой точке до величины, меньшей начальной температуры, и медленно растет в волне разрежения до начальной температуры.

Методы с использованием ударных труб имеют много обла­ стей применения, включая определение термодинамических свойств веществ и скоростей реакций при высоких температу­ рах, исследование процессов истечения и ионизации. Описание конструкции ударных труб и методик эксперимента выходит за рамки настоящей книги. Более подробные сведения можно найти в работах [20, 21].

11.22.МЕТОДЫ ПРЕКРАЩЕНИЯ ГОРЕНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Проблема прекращения горения твердых ракетных топлив является относительно новой. Важность этой проблемы возросла в связи с расширением области применения топлив для двига­ телей с импульсным режимом работы. В последние годы в этом направлении проведены большие работы.

Наиболее удовлетворительна методика испытаний, разрабо­ танная Сиплачем [8— 10]. Топливо воспламеняется в камере сгорания с небольшим сменным соплом. Размеры сопла можно менять, используя различные сопловые блоки, и тем самым ре­ гулировать начальное давление. После установления стационар­ ного горения с помощью пироболта освобождается крышка, открывающая значительно большее отверстие, и давление в ка­ мере сгорания резко падает. Абсолютная величина и скорость падения давления регистрируются. Изменяя эти два параметра путем изменения количества топлива и размера начального от­ верстия, определяют условия прекращения горения исследуемого топлива.

Этот простой и быстрый метод облегчает разработку ракет­ ных топлив, горение которых требуется прекратить.

Скорость горения вычисляется по толщине свода заряда и вре­ мени горения.

Для определения параметров ракетного двигателя вы­ числяются интегралы, в которые входят тяга и давление. Они вычисляются по интервалу времени работы, чтобы исключить влияние больших времен спада во время горения при низких давлениях. Удельный импульс давления вычисляется по фор­ муле

В двигателях больших размеров полное время также опре­ деляется как время между началом роста давления и моментом падения давления до нуля. Затем это время и интегралы fpdt и J F dt можно также использовать для вычисления параметров ракетного двигателя.

11.24. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ К. П. Д.

Для получения характеристик натурного ракетного двига­ теля желательно использовать метод, дающий по возможности наименьшую погрешность. Различные методы определения по­ правок к экспериментальным данным, т. е. приведения их к стандартным теоретическим условиям, в которых исполь­ зуются уравнения, основанные на уравнении адиабатического процесса p/pv = const, дают большую погрешность из-за грубых допущений, принятых в этих методах. При выводе указанного уравнения адиабаты использованы предположения, при которых выбранное значение у справедливо только для конкретных условий, в частности, степени расширения. В действительности «истинная» величина у изменяется в зависимости от темпера-

туры, давления, состава продуктов сгорания и степени расши­ рения

Имеется более точный метод определения характеристик натурного двигателя, в котором применяются более точные уравнения. Этот метод заключается в расчете теоретических характеристик по условиям огневого испытания и в сравнении их с экспериментальными результатами. Поэтому для каждого огневого испытания проводят полный теоретический расчет при экспериментальных значениях давления в камере сгорания. Удельную тягу вычисляют для геометрической степени расши­ рения сопла и давления окружающей среды, имеющих место в условиях эксперимента. Коэффициент полноты давления (полноты сгорания) равен

^р (теор)

Коэффициент удельной тяги определяют для двух основных рас­ четных случаев (0= 0 и 15°). В каждом случае вычисляют теоретическую удельную тягу по условиям огневого испытания двигателя (давление в камере сгорания, геометрическая степень расширения и давление окружающей среды)2). Для сопла с полууглом раствора 0 теоретическая удельная тяга определяется выражением

п Погрешность таких методов вычисления скорости истечения, а следо­ вательно, удельной тяги и других параметров достигает иногда нескольких процентов даже при применении значения у, определенного для конкретного случая. Такая погрешность во многих случаях недопустима. Поэтому указан­

ное уравнение адиабаты можно использовать лишь при небольшом изменении искомых параметров. Следует отметить, что Сарнер определяет у как отно­ шение удельных теплоемкостей (см. стр. 50), что недопустимо. Прим. рео.

2) Дальнейший текст этого раздела сокращен. — Прим. ред.

Действительную удельную тягу можно определить либо по

при давлении в камере сгорания 70,3 ата и в выходном сечении сопла 1 атм при расчетном режиме работы сопла, либо по фор­ муле

По уравнению (11.24) действительная удельная тяга приводится к давлению в камере сгорания 70;3 ата и полууглу раствора сопла 0°, а по уравнению (11.25) — к давлению в камере сгора­ ния 70,3 ата и полууглу раствора сопла 15°, или к величине, которая фактически определяется при идеальных условиях*2).

11.25. ВРЕМЯ ПРЕБЫВАНИЯ

Одним из основных параметров, влияющих на полноту сго­ рания топлива, является время пребывания продуктов сгорания

ния и, следовательно, к большей полноте сгорания. Время пре­ бывания равно

риментальный двигатель имеет полуугол раствора сопла 15°; при этом полу­

достаточно корректна. Для получения более строгих характеристик необхо­ димо либо регламентировать конфигурацию сопла экспериментального ракет­ ного двигателя, и, в частности, полуугол раствора сопла, его геометрические размеры и т. д., либо вводить соответствующие поправки при обработке ре­ зультатов испытаний. — Прим. ред.

3) Уравнение (11.27) является условным, так как в действительности тем­ пература и молекулярный вес продуктов в камере сгорания изменяются по мере протекания рабочего процесса в ней. — Прим. ред.

огневых испытаниях. Из анализа графика зависимости коэффи­ циента удельной тяги от приведенного времени пребывания (фиг. 11.11) следует, что для достижения высокой полноты сго­ рания необходимо, чтобы приведенное время пребывания было более некоторого минимального значения. Влияние скорости горения невелико, и им можно пренебречь. Аналогичные резуль-

таты получены при использовании относительного времени пре­ бывания. Если размер частиц не является определяющим факто­ ром, то можно использовать просто время пребывания.

11.26. ГОРЕНИЕ МЕТАЛЛОВ

Присутствие металлов или их соединений в ракетных топли­ вах оказывает заметное влияние на реализуемую удельную тягу. Во-первых, продукты сгорания металлов обычно содержат конденсированные фазы, что приводит к уменьшению общего количества расширяющегося рабочего тела. Во-вторых, конден­ сированные фазы вызывают дополнительные потерн характери­ стик топлив вследствие их неспособности сохранять тепловое и скоростное равновесие с газообразной фазой (см. гл. 6).

горение бора, кремния, титана и циркония будет поверхностным процессом *).

Легкость воспламенения также влияет на полноту сгорания. Алюминий легко воспламеняется при высоких концентрациях и с трудом — при низких. Бериллий с трудом воспламеняется при любых концентрациях; при высоких температурах воспламене­ ние облегчается [48]. Влияние поверхностного окисления наибо­ лее существенно при горении бериллия. Из этого следует, что полнота сгорания алюминизированных топлив будет худшей при малых концентрациях алюминия и что полнота сгорания топлив с бериллием будет в целом низкой. Оба положения подтверж­ дены экспериментально. Фейсел [43] предполагает увеличить скорость воспламенения и горения путем сплавления или сме­ щения рассматриваемого металла с более летучим металлом, благодаря чему увеличится полнота сгорания.

Эти положения относятся к горению металлов в кислороде или кислородсодержащих окислителях. Механизмы горения при использовании других окислительных элементов могут отли­ чаться от механизмов горения в кислородсодержащих окисли­ телях. Однако исследования горения в других окислительных элементах только начинаются. При исследовании горения бора

ЛИТЕРАТУРА

1.American Society for Testing Materials, E20-51T (1951).

2.American Society for Testing Materials, E-161-60T (1960).

Ч Более Подробная классификация металлов по механизмам горения при­ ведена в статье Бржустовского и Глассмена, помещенной в сборнике [48]. —-

Прим. ред.

12.C o h e n N. S., MSE Thesis, Department of Aeronautical Engineering, Prin­ ceton University, Princeton, N. J., 1962.

138(1958).

17.D u b r o w B , Anal. Chem., 25, 1242 (1953).

36.Perkin—Elmer Corporation Brochure KHV26310, 1964.

37.R о b e г t s - A u s t e n W. C., Metallographist, 2, 186 (1899).

38.R о b e г t s - A u s t e n W. C., Proc. Inst. Mech. Engrs., 35, (1899).

39.R o l l e r P. S., J. Am. Ceram. Soc., 20, 167 (1937).

12. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ

ДВИЖЕНИЯ

О б о з н а ч е н и я

А — атомный вес; Ае — площадь поверхности излучателя;

с — скорость света;

d — расстояние разделения; Е — энергия;

Еу — градиент напряжения; Е — вектор напряженности электрического поля; F — тяга;

go— ускорение силы тяжести на уровне моря; Н — вектор напряженности магнитного поля; h — постоянная Планка;

/ с — ток ионного пучка;

/— плотность тока;

т— масса;

т— массовый секундный расход; No — число Авогадро;

п — степень ионизации;

Р — мощность на выходе; Pi — удельная тяга;

р — количество движения; q — заряд;

S — вектор Пойнтинга, характеризующий перенос энергии; t — время;

V — напряжение; v — скорость;

х — расстояние; ео — диэлектрическая постоянная свободного пространства; v — частота;

ре— плотность заряда.

12.1. ВВЕДЕНИЕ

В этой книге в основном рассматриваются ракетные двига­ тели, которые обычно называются химическими. Источниками тепловой энергии для них являются окислительно-восстанови­ тельные реакции или горение. Возможны другие типы ракетных

двигателей, которые будут рассмотрены здесь для сравнения. Эта глава не претендует на полный анализ перспективных ра­ кетных двигателей. Вопрос о ракетных топливах на основе сво­ бодных радикалов рассмотрен несколько подробнее, так как он наиболее близок к материалу предыдущих глав, но для получе­ ния дополнительных сведений можно предложить работу Микля и др. [8]. Для более глубокого ознакомления с ядерными двига­ телями рекомендуем обратиться к работе Бассарда и Де-Лауэра [2], а для ознакомления с электрическими, фотонными и дру­ гими типами двигателей, а также с ядерными — к книге Корлисса [3], в которой дано лучшее общее изложение этой темы.

Достижение высокой удельной тяги путем обеспечения высо­ ких температур в камере сгорания в сочетании с малым

ракетных двигателей, источниками тепловой энергии которых служит горение топлива или реакции между свободными ради­ калами, а также ядерные реакции. Такие ракетные двигатели можно объединить в группу тепловых ракетных двигателей. В бо­ лее перспективных типах двигателей используются другие спо­ собы достижения высокой удельной тяги. Следует отметить, что удельная тяга в основном определяется как отношение скорости рабочего тела в выходном сечении сопла к ускорению силы тя­ жести [см. уравнение (2.19)]. Этот результат не зависит от метода достижения высоких скоростей в выходном сечении сопла. В электрических двигателях в качестве рабочего тела используются ионы, которые разгоняются магнитными или электрическими полями. Механизм ускорения ядерных осколков или фотонов определяется их основными свойствами. Наконец, принцип использования силовых полей нс связан с реактивным движением в общепринятом смысле и напоминает использование пилотом трансконтинентального лайнера воздушных течений для увеличения скорости лайнера относительно поверхности земли.

12.2.РАКЕТНЫЕ ТОПЛИВА НА ОСНОВЕ СВОБОДНЫХ РАДИКАЛОВ

Большое количество тепловой энергии выделяется не только при горении. Многие химические вещества имеют очень большие эндотермические теплоты образования, так что в реакциях с участием этих веществ может выделяться больше тепловой энергии, чем при горении. Эти вещества в основном бывают трех типов: свободные радикалы, соединения в метастабильиом

типов веществ в некоторой среде и инициировании при необхо­ димости реакции рекомбинации или деактивации, приводящих к выделению энергии. Примерами таких процессов являются:

химическая реакция

деактивация вещества, находящегося в возбужденном метастабильном состоянии

Таблица 12.1

Энергосодержание «несжигаемых» ракетных топлив

Таблица 12.2

Характеристики топлив с добавками свободных радикалов и ионов [8]

П р и м е ч а н и я . 1. Приведенные данные относятся к рввкциям при давлении 42 ата, за исключением кислородсодержащего топлива. Для кислородсодер

ЖаЩ2.ГСПпедполагается, что продукты реакции топлив, не содержащих ионы, расширяются

в сопле Рпри наличии химического равновесия между компонентамш реакции ионосодержащнх топлив при расширении остается постоянным (замороженное

течение^^и мма ПрНведеннЬ1Х мольных долей не равна 1, то дополнением до единицы являются исходные вещества активного компонента (если нет особых оговорок).

Располагаемую энергию этих систем можно иногда сочетать

Вэтой схеме водород первоначально находится в ионизо­ ванном состоянии и, кроме обычной энергии горения, выде­ ляются энергии рекомбинации ионов и радикалов. В результате суммарная энергия в семь раз превосходит энергию горения.

Вдействительности все топливо не может быть стабилизиро­ вано в некотором энергетическом состоянии. С точки зрения обеспечения оптимальных характеристик иногда это нежела­ тельно делать, так как образующееся рабочее тело будет иметь слишком большой молекулярный вес. Обычно в активированном состоянии находится лишь небольшая часть топлива, поэтому полезно определить величины удельной тяги, соответствующие различным уровням активации. Если концентрация свободных

радикалов меньше 100%, можно использовать некоторые ве­ щества в качестве разбавителей. В разд. 4.10 показано, что лучшими разбавителями являются водород или гелий вследствие их малых молекулярных весов. В табл. 12.2 приве­ дены некоторые данные для топлив с добавками свободных радикалов и ионов. Согласно этим данным, удельные тяги, до­ стигаемые с применением указанных веществ, изменяются от величин, соответствующих обычным реакциям окисления-восста­ новления, до величин ~1000 сек, которые являются верхним пределом.

•

12.3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВНУТРИЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ

Предельной формой использования чисто тепловой энергии является ядерный двигатель. В этом типе двигателя источник энергии и рабочее тело полностью отделены друг от друга; реак­ тор с расщеплением или синтезом атомных ядер выделяет теп­ ловую энергию, идущую на нагревание рабочего тела, которое затем расширяется и вытекает, создавая тягу. Схемы типичных ядерного и термоядерного двигателей приведены на фиг. 12.1 и 12.2.

Описание конструкции и работы реакторов выходит за рамки этой книги; однако важно знать ограничения, накладывае­ мые на источник энергии. Особо важными являются два обстоя­

отвода тепла от реактора, но этот способ имеет два недостатка: ограниченная способность к поглощению тепла и увеличение вероятности выноса радиоактивных материалов с выхлопной струей. Применение таких охладителей, как водород, аммиак или вода, связано с утяжелением реакторов и двигателей, так как для этих веществ требуются большие теплообменные по­ верхности, чтобы поглощать тепло непосредственно от реактора. Второй способ предусматривает использование для отвода тепла от реактора веществ с высоким коэффициентом теплоотдачи, например жидкого лития; затем тепло передается рабочему телу в отдельном теплообменнике. В этом случае реактор становится меньше по размерам, а двигатель более легким; однако возни­ кают проблемы нагнетания и использования жидких ме­ таллов.

Проблема материалов приводит к ограничению допустимой температуры нагрева рабочего тела, так как она определяется температурами, которые могут выдержать используемые мате­ риалы; однако благодаря непрерывному усовершенствованию материалов можно ожидать, что предел допустимых температур возрастет. Этот рост температуры сопровождается соответст­ вующим улучшением характеристик топлив и двигателей. В табл. 12.3 приведены свойства материалов, которые могут быть использованы в реакторах ядерных двигателей.

Выбор рабочего тела осуществляется по методу, сходному с методом выбора химических топлив, за исключением того, что здесь не учитывается энергия горения. Первостепенную важ­ ность имеет молекулярный вес рабочего тела (см. табл. 4.1). В табл. 12.4 сравниваются характеристики четырех рабочих тел. Водород, очевидно, наиболее эффективен; он обеспечивает наи­ большую величину удельной тяги, достижимую с помощью ядер­ ных двигателей, но имеет малую плотность и должен храниться при очень низких температурах. Такие же недостатки присущи гелию, который к тому же обеспечивает меньшие удельные тяги; кроме того, он является дорогостоящим и дефицитным продук­ том. Вода характеризуется высокой плотностью и удобна с точки зрения хранения и эксплуатации; она дешева и имеется в больших количествах, но обеспечивает низкие удельные тяги. Несомненно она найдет некоторое применение в тех случаях, когда допустимы низкие характеристики. Аммиак по характери­ стикам приближается к гелию и имеет большую плотность. Он не так дефицитен и хранится не при столь низких температу­ рах. Возможно, он является более подходящим рабочим телом для ядерного ракетного двигателя, чем водород. В табл. 12.5 сравниваются основные параметры ракет с ядерными дви­ гателями, в которых в качестве рабочего тела используются

Таблица 12.4

Сравнительные характеристики рабочих тел [9]

1 ата при неизменном химическом составе рабочего тела.

Таблица 12.5

Типичные параметры ядерных двигателей [3]

Параметр Вэдород Гелий

Следовательно, интервал величин удельной тяги ядерных двигателей аналогичен интервалу величин удельной тяги дви­

гателей, использующих топлива на основе свободных радикалов с верхним пределом — 1000 сек. ^

12.4.ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ

СПЛАЗМЕННОЙ СТРУЕЙ

Электротермический реактивный двигатель представляет собой промежуточный тип двигателя между тепловыми и элек­ трическими двигателями. Тяга в электротермическом двигателе создается за счет расширения горячей плазмы, а энергия струи генерируется электрическим источником энергии. По характери­ стикам электротермический двигатель также занимает проме­ жуточное положение между чисто тепловыми и чисто электри­ ческими типами двигателей.

В качестве источника энергии используется электрическая дуга. При высоких температурах (до 50 000° К) рабочее тело при нагревании сначала диссоциирует, а затем ионизуется. Рабочее тело также служит охладителем и образует завесу, защищающую конструкцию от воздействия высоких температур. Ускорение образовавшейся плазмы в насадке или сопле обеспе­ чивается за счет тепловой энергии. Высокая удельная тяга электротермического двигателя по сравнению с обычными теп­ ловыми двигателями обусловлена более высокими температу­ рами, которые могут поддерживаться в конструкции с помощью завесы. Однако электротермический двигатель пока может рабо­ тать только в течение нескольких минут, так как электроды и сопло разрушаются под действием горячей плазмы. Возможно,

Таблица 12.6

Результаты экспериментального определения параметров электротермического двигателя [б]

Параметр Аргон Гелий

что срок службы электротермического двигателя удастся про­ длить до 100 час и более за счет пористого охлаждения электро­ дов, применения электролитических электродов и разработки теп­ лозащитных материалов.

Современные электротермические двигатели очень прими­ тивны и находятся на предварительной стадии разработки. Результаты типичных испытаний таких двигателей приведены в табл. 12.6. Ясно, что с помощью такого метода в дальнейшем можно получить большие величины удельной тяги. В табл. 12.7 представлены типичные конструктивные параметры электротер­ мического двигателя, которые, возможно, будут реализованы в ближайшее десятилетие. В настоящее время плазменные струи используются для исследования высокотемпературных свойств веществ и, вероятно, будут найдены другие области их примене­ ния, помимо источника движения. Предельный интервал вели­ чин удельной тяги 500—2500 сек.

12.5.ДВИГАТЕЛЬ

СЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ УСКОРИТЕЛЕМ ПЛАЗМЫ

В электромагнитном ускорителе плазмы не используются термические методы получения высоких скоростей рабочего тела, однако он не является и строго электрическим ускорителем. Ионы и электроны генерируются при помощи электрической

дуги, как в обычных электротермических двигателях, но не от­ деляются друг от друга. В целом нейтральная плазма разгоняется при низких давлениях электромагнитным полем. Несколько типов ускорителей подробно описаны Гхаем [6]. Применяются следующие типы ускорителей: плазмоидные пушки (ионизация электродугой, импульсный режим работы), ускорители с бегу­ щей волной (индукционный способ ионизации, непрерывный ре­ жим работы), плазменные насосы (индукционный способ иони­ зации, непрерывный режим работы), трубки Колба (ионизация электродугой, импульсный режим работы) и ускоритель с неста­ ционарным магнитным полем (индукционный способ ионизации, импульсный режим работы). Подробное описание этих ускори­ телей выходит за рамки данной книги. Достаточно сказать, что характеристики этих типов двигателей являются промежуточ­ ными между характеристиками электротермических двигателей, в которых ускорение плазмы происходит за счет тепловой энер­ гии, и электростатических двигателей, в которых ускорение ио­ нов обусловлено электрической энергией. Двигатели с электро­ магнитным ускорителем плазмы обеспечивают удельную тягу до 10 000 сек. Типичные параметры двигателя с электромагнит­ ным ускорителем плазмы типа плазмоидной пушки приведены в табл. 12.8.

Таблица 12.8

Типичные параметры электромагнитного ускорителя плазмы [3]

12.6. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ (ИОННЫЙ) ДВИГАТЕЛЬ

Электростатический двигатель — простой пример электри­ ческого двигателя. Частицы ионизуются, положительные ионы и электроны ускоряются в электростатическом поле, затем они рекомбинируют и вытекают с очень большой скоростью. Элек­ тростатический двигатель состоит из трех основных частей. Эмиттер ионизует частицы и отделяет положительные ионы от электронов. Ускоритель обеспечивает высокие скорости исте­

Из уравнений (12.14) и (12.19) определяется тяга, приходя­ щаяся на единицу площади эмиттера

В настоящее время несколько фирм успешно ведут разработки электростатических двигателей. В табл. 12.11 представлены ти­ пичные параметры электростатического двигателя, ожидаемые в ближайшее время. Практический интервал величин отношения тяги к весу заключен между 10~5 и 10-4, а интервал величин удельной тяги — между 5000—25 000 сек.

12.7.РЕАКТИВНАЯ СИЛА, СОЗДАВАЕМАЯ ДВИЖЕНИЕМ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ

В процессе ядерных реакций частицы излучаются с очень большими скоростями. Например, альфа-частица с энергией 1 Мэе имеет скорость 7 - 106 м/сек, которой соответствует удель­ ная тяга 700 000 сек, если частицы фокусируются или поглоща­ ются в определенном направлении таким образом, что создается тяга. До сих пор не удалось осуществить этот метод получения реактивной силы. Кроме того, вызывает сомнения возможность достижения высоких характеристик из-за чрезвычайно малых величин отношения тяги к весу.

12.8. ФОТОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Описанные ранее системы пригодны для полетов в пределах солнечной системы, но не для полетов к другим звездам, по­ скольку такие полеты будут иметь продолжительность в не­ сколько человеческих жизней. Преимуществом фотонного двига­ теля является чрезвычайно большая удельная тяга, благодаря чему становятся возможными межзвездные путешествия.

Из совместного рассмотрения уравнения Планка

с уравнением эквивалентности массы и энергии Эйнштейна

получим выражение для количества движения фотона

kv

р = т с = — . (12.24)

^ с

давление от внешнего источника энергии. Величины отношения тяги к весу очень малы, порядка 10-4 и 10-7, но удельная тяга чрезвычайно велика. Схема фотонного двигателя приведена на фиг. 12.4.

12.9. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИЛОВЫХ ПОЛЕЙ

На современном уровне знаний невозможно использовать силовые поля в космосе в качестве источника движения в про­ извольном направлении. Насколько известно, не существует ни непосредственного взаимодействия между магнитным и грави­ тационным полями, ни, по-видимому, электростатических полей. Концепция антигравитации до сих пор не доказана и не опро­ вергнута. Однако в дальнейшем может оказаться возможным использование таких полей. Так как в этом случае используются внешние силы, удельная тяга таких двигателей будет равна бес­ конечности, но величины отношения тяги к весу, по-видимому, будут очень малы.

Прогресс в области световых двигателей, гиперкосмических двигателей и других источников движения, лежащих вне преде­ лов нашего восприятия, менее вероятен, чем прогресс в области технологии, если вообще возможен.

12.10. КРАТКИЙ ОБЗОР ДВИГАТЕЛЕЙ

В заключение в табл. 12.12 приведены рассмотренные типы ракетных двигателей. Практически удельная тяга тепловых ра­ кетных двигателей имеет верхний предел 1000 сек (выше этого значения удельная тяга гибридных электротермических двига­ телей с плазменной струей). Тепловые двигатели широко при­ меняются или находятся на стадии развернутых испытаний эле­ ментов конструкций, за исключением двигателей, в которых ис­ пользуются топлива на основе свободных радикалов. Последние, может быть, и не удастся реализовать из-за невозможности обеспечения высоких концентраций стабильных свободных ради­ калов. Доказана возможность создания электрических двигате­ лей, и их прототипы находятся в стадии испытания. Удельные тяги этих двигателей больше тепловых, но величины отношения тяги к весу малы. Эти двигатели пригодны только для полетов в космосе, в то время как тепловые двигатели способны под­ нимать полезную нагрузку с поверхности земли. У остальных двигателей большая удельная тяга сочетается с меньшими вели­ чинами отношения тяги к весу. Возможность создания таких двигателей еще не доказана и, может быть, никогда не будет

доказана. Однако в настоящее время только фотонные двига­ тели, а также двигатели на основе использования силовых полей или других еще неизвестных явлений дают надежду, что чело­ век будет способен совершать полеты за пределами солнечной системы.