книги из ГПНТБ / Феодосьев В.И. Введение в ракетную технику Учеб. пособие

132 Гл. III. Ракетные двигатели, их устройство и особенности работы

ны редуктора. Увеличивая затяжку этой пружины, мы в большей сте­ пени открываем клапан, и давление на выходе будет расти. Пружи­ на 5 имеет вспомогательное значение. При расслаблении пружины 2 клапан закрывается и редуктор действует, как обычный вентиль.

I

/—подвод управляющего газа, 2—сервопоршень с резиновым уплотнением, 3 — пружина, закры­

вающая клапан, 4—шток клапана, 5—уплотнение штока, 5—выходной штуцер, 7—вспомогательный

Основными элементами пневмогидросистемы автоматики дви­ гателя являются клапаны. В зависимости от назначения их кон­ структивное выполнение может быть весьма разнообразным. При малых расходах жидкости или газа используются электромагнит­ ные клапаны (фиг. 3. 13). При больших расходах, когда требуют­ ся значительные усилия, клапан открывается давлением воздуха, подаваемым от малого управляющего клапана. В этом случае применяется клапан с пневматическим или гидравлическим сервопоршнем (фиг. 3. 14). Схема двух типов обратных клапанов пока­ зана на фиг. 3. 15 и 3. 16. Принцип их работы понятен из подрису­ ночных подписей.

134 Гл. III. Ракетные двигатели, их устройство и особенности работы

лению, а по времени, применяется принудительный ее разрыв с по­ мощью специального пиропатрона (фиг. 3. 18). Мембраны представ­ ляют собой клапаны односторон­ него и одноразового действия, ра­ ботающие только на открытие. Иногда они дополнительно снаб­ жаются пироклапанами, обеспечи­ вающими в необходимый момент закрытие трубопровода.

В качестве датчика давления в пневмогидросистеме Ж РД ис­ пользуются большей частью мембранные приборы с электрокон­ тактами, подобными показанному на фиг. 3. 19.

Глава IV

Т О П Л И В А Р А К Е Т Н Ы Х Д В И Г А Т Е Л Е Й

t. ХИМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ ТОПЛИВ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

И ст о ч н и к и э н е р г и и д л я р а к е т н ы х д в и г а т е л е й

Ракетный двигатель, как и всякий другой, нуждается для своей работы в каком-либо источнике энергии.

Источником энергии, широко используемым в настоящее время в ракетных двигателях,, является химическая энергия. При работе двигателя эта энергия может выделяться в реакциях различных типов. Наиболее распространенной является реакции горения. Эта реакция используется в рабочих процессах подавляющего большин­ ства существующих тепловых двигателей.

Известно применение и таких топлив, химическая энергия кото­ рых выделяется в процессе реакции разложения. Такая реакция разложения должна протекать с выделением тепла. В ракетных двигателях, например, широко применяется реакция разложения перекиси водорода.

Если при реакции разложения происходит выделение свободного окислительного или горючего элемента, то такая реакция может сочетаться с дальнейшей нормальной реакцией горения этого эле­ мента, происходящей за счет добавочной подачи в камеру недо­

нации, как правило, протекают с выделением очень большого коли­ чества энергии. Как и реакции разложения, они могут сочетаться с обычными реакциями горения.

Ракетный двигатель нуждается не только в источнике энергии, но и в запасе массы, которая отбрасывается двигателем в процес­ се его работы. Вещество, отбрасываемое от ракеты, называют обычно рабочим тел'ом. В существующих двигателях источником

топливо сначала является носителем химической, а затем кинети­ ческой энергии.

Перспективным источником энергии для ракетных двигателей

считается ядерная энергия. В настоящее время в ракетных двига­ телях она не применяется, но, бесспорно, будет применяться в не­ далеком будущем. По-видимому, ядерное топливо будет использо­ ваться только как источник энергии, рабочее же тело должно со­ держаться на борту ракеты дополнительно. Иногда ядерное топ­ ливо называют активной массой, а рабочее тело — пассивной.

П р о ц е с с г о р ен и я и х и м и ч е с к а я э н е р г и я

Под процессом горения понимается химический процесс между

падением энергетического уровня атома. Минимальным энергети­ ческим / уровнем атом обладает в случае предельного заполнения электронами внешней оболочки.

Еслиншоарассмотреть1н) строение электронных оболочек атомов го­ рючих и окислительных элементов, то оказывается, что их внеш­

В процессе химической реакции горения не происходит изме­ нения строения атомов, и общее число электронов в атомах горю­ чего и окислительного элементов остается постоянным. Однако при образовании продукта сгорания происходит такое взаимное переплетение и преобразование электронных оболочек реагирую­ щих атомов, что некоторые электроны оказываются входящими одновременно в оболочки атомов как горючего, так и окислитель­ ного элементов. Так, например, при образовании водяного пара о результате реакции горения водорода с кислородом происходит такое преобразование электронных оболочек, в результате которо­ го две группы по два электрона входят одновременно в оболочки атомов кислорода и водорода. При этом атом кислорода, входя­ щий в молекулу воды, будет иметь на внешней оболочке восемь

совместное обладание электронами приводит к тому, что внешние электронные оболочки всех атомов, входящих в продукт реакции, оказываются предельно заполненными электронами. По этой при­ чине энергетический уровень молекулы продукта реакции оказы­ вается ниже, чем энергетический уровень атомов до вступления их в соединение. Разность этих энергетических уровней и опреде­ ляет величину химической энергии, выделяющейся при данной реакции.

Так как энергетические уровни исходных веществ и продуктов реакции горения зависят исключительно от строения атомов соот­ ветствующих веществ, то количество химической энергии, выделяю­ щейся при горении известной массы данных веществ, всегда посто­ янно и не зависит от каких-либо внешних условий — давления, тем­ пературы, объема и т. д.

Мы рассмотрели процесс горения атомарных веществ. В дейст­ вительности же горючие и окислительные элементы, используемые

В этом случае процесс горения с точки зрения выхода энергии можно представить себе происходящим следующим образом. Ве­ щество, находящееся в молекулярном виде, разлагается до атомов соответствующих элементов с затратой или выделением химической энергии. Затем атомы соединяются в продукты горения всегда с выделением химической энергии. Общий суммарный эффект выхо­ да химической энергии определяется алгебраической суммой хими­ ческих энергий, соответствующих каждому из составляющих про­ цессов.

будет другой, ибо теплоемкость газообразных веществ зависит от условий их нагревания или охлаждения. Однако наибольшее влия­

ние на величину AQT оказывает абсолютная температура Т. Теплота образования, используемая при расчетах ракетных

двигателей, относится обычно к следующим условиям: постоян­ ному давлению, равному одной абсолютной атмосфере, и к нор­ мальной температуре. В этом случае теплота образования рассма­ тривается как изменение величины теплосодержания Н продуктов

сгорания и обозначается через AHr, где Т — абсолютная темпера­ тура, при которой определяется теплота образования.

Зная теплоту образования и теплоемкости участвующих в ре­ акции веществ, всегда можно вычислить химическую энергию как разность алгебраических величин:

Qxm.i—hHr XQT.

Так как при Т= 0 величина AQr = 0, то химическая энергия мо­ жет быть определена как теплота образования при абсолютном нуле и обозначена А#о- Эта величина служит мерой химической энергии и широко используется во многих термодинамических рас­ четах.

Ввиду того, что теплота образования продуктов сгорания зави­ сит от внешних условий, для ее определения применяются так на­ зываемые стандартные условия. Большей частью теплота образо­ вания веществ определяется при температуре 18, 20 или 25° С (291,16; 293,16шли 298,16° абс.) и давлении, равном одной атмосфе­ ре. При этом разница между химической энергией и теплотой образования соответствующих продуктов относительно неве­

лика.

Так как теплота образования вещества зависит от того, в каком виде (атомарном или в виде простых или сложных веществ) взяты элементы, образующие данное вещество, то теплота образования всегда относится не только к стандартным условиям, но и к стан­ дартным состояниям элементов. Под такими состояниями пони­ маются состояния элементов в том виде, в котором они наиболее распространены в природе. Так, за стандартные состояния наибо­ лее часто употребляемых топливных и окислительных элементов приняты следующие: для водорода, кислорода, азота — молекуляр­ ные газы Нг, Ог, N2 ; для углерода — p-графит; для металла — та

кристаллическая форма, в которой он чаще всего встречается в природе. Знак теплоты образования определяется тем, что поте­ ря энергии системой, вступающей в реакцию, считается отрицатель­ ной. По этой причине теплота образования продуктов сгорания

всегда имеет отрицательный знак.

Если теплота образования определена при стандартных усло­ виях и относится к стандартному состоянию элементов, то в обо­

значении ее добавляется верхний индекс «0». Так, стандартная теплота образования вещества обозначается А , а стандартная

химическая энергия—АН° .

Т е п л о т в о р н о с т ь т о п л и в а

Под теплотворностью (или теплотворной способностью) топли­ ва подразумевается количество тепла, которое выделяется при полном сгорании единицы веса топлива. Эту величину будем обо­ значать К о, она имеет размерность ккал/кг.

Теплотворность топлива равна теплоте образования продуктов полного сгорания веществ, составляющих топлива, взятой с обрат­ ным знаком, так как химическая энергия вещества, потерянная при образовании продуктов сгорания, по закону сохранения энергии полностью превращается в выделяющееся тепло. Таким образом,

Ка — — АНТ.

Величина теплоты образования обычно дается в ккал/г-мол продуктов сгорания, но ее легко перевести в количество тепла на единицу веса, воспользовавшись соотношением

АН ккал\кг — — - АН ккал г-мол,

где ц — молекулярный вес продуктов реакции горения.

Следует обратить внимание на то, что в ракете и горючее, и окислитель помещаются на ее борту, а следовательно, представ­ ляют одинаковую ценность. Поэтому мы всегда будем относить теплотворную способность или теплоту образования ко всей массе затрачиваемых в процессе реакции веществ, а не только к одному горючему, как это делается в обычной теплотехнике, где расход окислителя (кислорода воздуха) никогда не учитывается, ибо ки­ слород черпается из окружающей атмосферы.

Теплотворность при стандартных условиях и стандартном со­ стоянии элементов равна, очевидно,

Ка~ — АНт.

Эта величина зависит прежде всего от типа элементов, участ­ вующих в реакции горения. В дальнейшем будем называть ее про­ сто теплотворностью стандартных элементов.

В качестве горючих и окислительных компонентов в топливах следует использовать такие, которые обладают наибольшим запа­ сом химической энергии. При тепловых расчетах ракетных двига­ телей в качестве величины, оценивающей химическую энергию топлив, вместо химической энергии часто используют величину теп­