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

Так как в природе существует ограниченное число химических элементов, то при выборе компонентов топлива надо отобрать такие элементы, которые обладали бы наибольшим запасом хими­ ческой энергии.

Еще К. Э. Циолковский в одной из первых своих работ «Ракета в космическое пространство» указал на необходимость существо­ вания определенной закономерности в величинах химической энер­ гии элементов в связи с периодической системой Менделеева. И действительно, теплоты образования продуктов сгорания для раз­ личных элементов располагаются закономерно, образуя периоды, соответствующие рядам элементов в периодической системе Мен­ делеева. Более подробные исследования этого вопроса привели к следующим результатам.

Из всех элементов только два—кислород и фтор—могут быть использованы как окислительные элементы, дающие большой за­ пас химической энергии и обеспечивающие необходимую интенсив­ ность реакции горения. Другие окислительные элементы, как хлор, бром и иод, не дают больших химических энергий. В качестве го­ рючих наибольший эффект дают следующие элементы: бериллий, литий, бор, алюминий, магний, кремний, водород и углерод.

В ракетных двигателях редко в качестве компонентов топлива

используют элементы, находящиеся в стандартных состояниях. Удобнее применять те или иные сложные вещества, обладающие более благоприятными физическими свойствами.

Однако образование веществ (компонентов топлива) из стан­ дартных элементов сопровождается, как правило, поглощением или выделением тепла, т. е. каждый компонент топлива и все топливо

вцелом имеет свою стандартную теплоту образования.

Сучетом теплоты образования топлива его теплотворность бу­ дет равна

стандартных элементов тепло затрачивается, то на соответствующую величину возрастает и теплотворность топлива.

Именно на идее об использовании положительной теплоты об­ разования основаны предложения о применении в ракетных дви­ гателях атомарных веществ.

Если вещество топлива имеет отрицательную стандартную теп­ лоту образования (АНгТОТ1Л< 0 ) , то теплотворность его будет меньше теплотворности стандартных элементов. Поэтому при анализе ком­ понентов топлива необходимо учитывать их стандартную теплоту образования.

Прежде чем рассматривать более подробно свойства и энерге­ тические характеристики различных элементов, уточним основные показатели, по которым следует оценивать ракетные топлива и их компоненты.

О с н о в н ы е т р е б о в а н и я к р а к ет н ы м т о п л и в а м

Для того чтобы сформулировать основные требования к ракет­ ным топливам, воспользуемся преобразованной формулой Циол­ ковского (1.14) для идеальной конечной скорости одноступенчатой ракеты

1пмк + мт

Так как конечная скорость, развиваемая ракетой, является од­ ним из основных ее показателей, можно считать, что ракетное топ­ ливо будет лучшим в том случае, если применение этого топлива для заданного веса полезного груза и начального веса ракеты обеспечит получение возможно большей конечной скорости. По­

можно большую эффективную скорость истечения, т. е. наиболь­ шую удельную тягу.

С другой стороны, отношение ——----- будет тем больше, чем

мк

меньший объем баков потребуется для размещения на ракете опре­ деленного запаса топлива, ибо от размеров баков в значительной степени зависит вес конструкции ракеты, а следовательно, и конеч­ ная масса Мк. При этом надо иметь в виду, что объем баков топ­ лива составляет от 50 до 90% общего объема всей ракеты. Поэто­ му второе основное требование к ракетному топливу состоит в том, что оно должно иметь возможно больший удельный вес Тт*

Удельный вес топлива, составленного из горючего и окислите­ ля, определяется по формуле

чего.

Необходимость высокого удельного веса топлива является совер­ шенно очевидной и не нуждается в дальнейших пояснениях.

Значительно сложнее объяснить, какие качества ракетного топ­ лива позволяют обеспечить возможно более высокую удельную тягу.

Поскольку кинетическая энергия потока продуктов сгорания' получается за счет химической энергии (теплотворности) топлива,, то первым условием получения большой удельной тяги является возможно больший запас химической энергии в топливе или воз­ можно большая его теплотворность. Это условие является необхо­ димым, но, как оказывается, далеко не достаточным, хотя оно дол­ гое время было доминирующим в оценке топлив.

Другим очень важным условием достижения большой удель­ ной тяги является высокая эффективность протекания основных термодинамических процессов преобразования энергии—горения ш расширения.

так и от некоторых свойств продуктов сгорания, которые назовем термодинамическими свойствами. Таким образом, одним из усло­ вий достижения высоких удельных тяг являются хорошие термо­ динамические свойства продуктов сгорания.

Останавливаясь на этом вопросе более подробно, заметим, что процесс горения (образования продуктов сгорания) сопровождает­ ся также и обратным процессом — процессом диссоциации (распа­ да продуктов). При диссоциации происходит значительная потеряэнергии. Степень диссоциации резко уменьшается с уменьше­ нием температуры в камере сгорания и с уменьшением числа ато­ мов в' молекулах продуктов сгорания, ибо молекулы продуктовсгорания с малым числом атомов, как правило, распадаются труд­ нее, чем молекулы с большим числом атомов.

имеет только немного более высокие абсолютные и относительные

висит также от свойств продуктов сгорания. Она определяется ве­ личиной показателя адиабаты k = c pfcv , где c v —теплоемкость про­ дуктов сгорания при постоянном объеме. В дальнейшем бу,дет по­ казано (см. гл. VI), что чем больше величина /г, тем более эффек­ тивно протекает процесс расширения. Величина k для продуктов сгорания ракетных топлив зависит от числа атомов I в моле­ кулах газообразных продуктов сгорания, увеличиваясь с уменьше­ нием I.

Влияние эффективности процесса расширения на достигае­ мую удельную тягу легко проследить, продолжив сравнение топлив кислород + водород и фтор+водород. Количество тепла, выделяе­ мое в камере сгорания для этих топлив, как было ранее показано,

фтор+водород трехатомных газов и высокой эффективности про­ цесса расширения.

Важным дополнительным условием эффективного протекания процесса расширения является газообразное состояние продуктов сгорания в процессе их расширения в сопле ракетного двигателя, ибо процесс расширения и соответствующий ему переход энергии в работу расширения осуществляется только при газообразном состоянии продуктов сгорания.

148 Гл. IV. Топлива ракетных двигателей

При оценке свойств топлив обычно указываются значения удель­ ных тяг, отнесенные к условиям работы двигателя на земле, т. е.

РУдо кг сек/кг и Ру,aOV кг сек!л.

В ответственных случаях при выборе топлива может проводиться полный объем работ по проектированию нескольких вариантов ракет на различных топливах и на основе полученных результатов опре­ деляется лучшее для данных условий топливо.

А н а л и з г о р ю ч и х и о к и с л и т е л ь н ы х э л е м е н т о в к а к к о м п о н е н т о в р а к е т н ы х т о п л и в

Основные свойства и энергетические характеристики горючих и окислительных элементов топлив для Ж РД приведены в табл. 4. 2.

При рассмотрении этой таблицы не следует удивляться имею­

давно применяется в технике, глубокое изучение их свойств и свойств их соединений началось только в последние годы в связи с за­ просами ракетной техники. Литературные данные об этих веществах чрезвычайно противоречивы и часто изменяются. Однако помещае­ мые в таблице сведения достаточны, чтобы дать основную оценку перечисленным элементам как компонентам топлив ЖРД.

Из кислородных соединений элементов наибольшую весовую теплоту образования имеет окись бериллия ВеО—5830 ккал/кг. Эта величина значительно превышает теплотворности применяемых сейчас углеводородных топлив. Высокую теплоту образования име­ ют также окись бора В20 3 и окись лития Li20 . Более низкая тепло» га образования у воды Н20 , окиси магния MgO, окиси алюминия

у окиси бериллия и наименьшая у воды. Последнее обстоятельство является существенным недостатком жидкого водорода как ра­ кетного горючего.

Из кислородных соединений элементов лучшими термодинами­ ческими свойствами обладают пары воды и углекислый газ. Двух­ атомные вещества ВеО и MgO обладают чрезмерно высокой темпе­ ратурой кипения и теплотой испарения. Для ВеО, например, она больше, чем теплота образования твердого продукта. Термодинами­ ческие свойства остальных окислов еще хуже.

Из фтористых соединений наибольшей весовой теплотворностью обладает LiF. Другие элементы также имеют высокую концентра­ цию энергии как весовую, так и объемную. Как и в случае кисло­ родных топлив, фтористые топлива, использующие наиболее рас­ пространенные горючие элементы — водород и углерод — имеют наименьшие теплотворности. При этом весовая теплота образова­ ния HF такая же, как и Н20 , a CF4 ниже, чем С 02. Несмотря на