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

это, применение фтористых окислителей (например, OF2 ) для

обычных углеводородных топлив может оказаться целесообразным, если подобрать топлива так, чтобы водород соединялся в основном с фтором, а углерод — с кислородом. Термодинамические свойства продуктов сгорания таких топлив будут лучше, чем для топлива кислород+углеводороды. Термодинамические свойства фтористых соединений всех остальных элементов лучше кислородных.

Таковы вкратце основные результаты анализа элементарных топлив. Топлива, компоненты которых являются сложными веще­ ствами, следует анализировать таким же образом. При этом на теп­ лотворность топлив, кроме типа использованных в них горючих и окислительных элементов, влияют также стандартные теплоты об разования топливных компонентов.

2. СОВРЕМЕННЫЕ ЖИДКИЕ И ТВЕРДЫЕ ТОПЛИВА ДЛЯ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Т р е б о в а н и я , п р е д ъ я в л я е м ы е к ж и д к и м т о п л и в а м

Кроме рассмотренных выше основных требований, практика использования топлив в Ж РД предъявляет еще многб других весь­ ма разнообразных и трудно выполнимых требований. Выполнение этих требований облегчает создание надежной конструкции ракет­ ного двигателя и обеспечивает его успешную эксплуатацию в са­ мых разнообразных условиях.

Требования, вытекающие из условий охлаждения двигателя, состоят в том, чтобы компоненты топлива могли поглотить возмож­ но большее количество тепла или, как говорят, обладали бы наи­ большей тепловосприимчивостью.

Величина тепловосприимчивости компонента

Q = c(Tma — Ta) ккал1кг,

где с — теплоемкость компонента; Тит — температура кипения компонента при давлении, имеющем

место в рубашке охлаждения (описание системы охлажде­ ния см. ниже);

То — начальная температура компонента.

Большей тепловосприимчивостью будет обладать компонент,, имеющий большую теплоемкость и более высокую температуру ки­ пения.

Тепловосприимчивость компонента наиболее правильно отно­ сить к 1 кг топлива, сжигаемого в двигателе, так как и количество' тепла, выделяющееся в двигателе, и количество вещества, исполь­ зуемого для охлаждения, пропорциональны общему расходу топ­ лива, а не расходу компонента, взятого в отдельности,

2. Современные жидкие и твердые топлива для ракетных двигателей 153

это условие ни для одного из компонентов в отдельности не выпол­ няется, то двигатель приходится охлаждать обоими компонентами сразу.

Условия подачи топлива в камеру сгорания предъявляют тре­ бование малой вязкости компонентов, а также слабой зависимости

вязкости от температуры. В противном случае изменение темпера­ туры окружающей среды может приводить к изменению соотноше­ ния v подаваемых в камеру компонентов и ухудшению использо­ вания топлива.

Условия смесеобразования требуют по возможности равных объемных расходов компонентов топлива, ибо в этом случае легче образовать равномерную смесь компонентов топлива в камере.

Условия воспламенения и горения топлива в камере двигателя требуют низкой температуры воспламенения для несамовоспламеняющихся топлив и возможно более малого периода задержки вос­ пламенения для самовоспламеняющихся топлив. Последнее тре­ бование имеет особо важное значение.

Под периодом задержки самовоспламенения понимается время, которое проходит от момента соприкосновения жидких компонен­ тов самовоспламеняющегося топлива до его воспламенил. Иногда эту величину называют периодом индукции. Ясно, что при хими­ ческом зажигании количество топлива, накапливающееся при за­ пуске двигателя в камере сгорания, будет (при прочих равных ус­ ловиях) тем больше, чем больше период задержки самовоспламе­ нения. Как уже отмечалось выше, накопление смеси в камере мо­ жет привести к взрыву двигателя.

Для надежного запуска двигателя в различных метеорологиче­ ских условиях и на различных высотах необходимо, чтобы время, задержки самовоспламенения не возрастало чрезмерно при пони­

154 Гл. IV. Топлива пакетных двигателей

жении температуры топлива и уменьшении атмосферного давления.

поненты продолжительное время без особых предосторожностей),

взрывобезопасности, высокой температуры дипения и низкой тем­ пературы застывания. Топливо не должно быть ядовитым и не

должно отличаться агрессивностью по отношению к конструкцион­ ным материалам. Кроме того, необходимо, чтобы ракетное топли­ во было дешевым, могло производиться в больших количествах и производство его было обеспечено сырьем.

Надо сказать, что пока нет таких топлив, которые одновремен­ но удовлетворяли бы всем перечисленным здесь требованиям.

В настоящее время в качестве компонентов освоенных топлив ракетных двигателей применяется довольно ограниченное число химических соединений. Однако широкие исследования в области ракетных топлив несомненно в ближайшем будущем значительно увеличат их число.

Прежде всего следует различать физическое состояние топлива. По этому признаку топлива делятся на жидкие и твердые. Проме­ жуточную группу составляют смешанные топлива, один из компо­ нентов которых является жидким, а другой—твердым. Можно от­ метить попытки применения таких топлив в Ж РД. Например, из­ вестно применение в ракетных двигателях желатинизированного ■бензина, углеродных стержней, помещавшихся непосредственно в камере сгорания, и жидкого окислителя, поступавшего из баков.

Рассмотрим вначале классификацию жидких ракетных топлив. Зти топлива прежде всего следует разделить по числу компонен­ тов, которые необходимо подавать в камеру сгорания. В настоящее время известны следующие типы топлив: трехкомпонентные и двух­ компонентные топлива раздельной подачи (для подачи их в камеру необходимо иметь соответственно две и три системы трубопроводов) и унитарные топлива, подающиеся в камеру по единственной систе­ ме трубопроводов. Сейчас наиболее широко применяются двухком­ понентные топлива раздельной подачи. Иногда применяется и трех­ компонентное топливо, но это вызывает усложнение системы пода­ чи и является обычно вынужденной мерой. Например, иногда в ка­ честве третьего компонента в камеру подается вода, снижающая

.чрезмерно высокую температуру горения.

веса продуктов сгорания р, удельных земных тяг Руд0(40:1) и Рудой (40:i)=

= Yt Рудо (40:i), а также так называемого комплекса параметров- P = S KPpK/G кгсек/кг (см. стр. 260).

Фиг. 4. 2. Классификация жидких ракетных топлив.

Эти данные получены расчетом для давления в камере 40 от и на срезе сопла 1 ат. Соотношение компонентов топлива в расчете взято таким, которое обеспечивает на данном топливе получение наибольшей удельной тяги.

Азотная кислота и окислы азота. Тетранитрометан

Азотная кислота H N 03 представляет собой продукт, широко применяемый в народном хозяйстве. Ее производство в больших количествах было налажено еще до появления жидкостных ракет­ ных двигателей.

Впервые предложено применять азотную кислоту в качестве окис­ лителя для Ж РД в 1930 г. В настоящее время топлива на основе азотной кислоты широко используются в ракетной технике.

160 Гл. IV. Топлива ракетных двигателей

В чистом виде азотная кислота представляет собой бесцветную жидкость. Техническая азотная кислота всегда содержит некоторое количество воды, а также окислов азота, придающих технической кислоте окраску. В зависимости от содержания окис­ лов азота окраска кислоты меняется от желтой до красно-бурой.

Наличие воды в азотной кислоте является нежелательным, так как это снижает теплотворность топлива. Поэтому в Ж РД приме­ няют кислоту концентрации 99—96%, т. е. с содержанием воды не

■более 1—4%.

Чистая азотная кислота (см. табл. 4.3) содержит 76% кислоро­ да и обладает достаточно малой отрицательной теплотой образова­ ния. Это делает ее относительно мощным окислителем. Азотная ки­ слота из всех широко применяемых окислителей имеет наиболь­ ший удельный вес, что позволяет получить топливо с высокой объ­ емной концентрацией энергии.

Азотная кислота имеет весьма благоприятные для использова­ ния в Ж РД температуры кипения (+ 8 6 ° С) и замерзания (—42°С). Добавление воды в H N 03 в количестве до 10% несколько понижа­ ет температуру замерзания (до —68,5° С). При дальнейшем раз­ бавлении азотной кислоты водой температура замерзания повы­ шается.

Таким образом, H N 03 является высококипящим окислителем и обладает всеми преимуществами такого типа окислителей.

Температура кипения возрастает с увеличением давления, так что при давлениях, .имеющих место в рубашке охлаждения ЖРД,

вместе с довольно высокой температурой кипения и большим от­

ядовиты, а при попадании на кожу азотная кислота вызывает тя­ желые ожоги. Поэтому работа с ней требует принятия мер предо­ сторожности.

Азотная кислота весьма агрессивна по отношению к металлам и другим конструкционным материалам. Особенно сильно влияет на металл разбавленная водой H N 03, поэтому промывка двигате­ ля и деталей после попадания на них азотной кислоты должна быть очень тщательной. Материалами, противостоящими действию H N 03, являются нержавеющая сталь, алюминий и некоторые пластмассы.

Азотная кислота легко испаряется и имеет склонность к само­ произвольному разложению с выделением газообразного кислоро­ да, что вызывает известные неудобства при ее хранении.

Для улучшения свойств азотной кислоты как окислителя к ней добавляются различные присадки. Они могут добавляться для по­ вышения теплотворности топлива, повышения удельного веса окис-