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

ограничивается склонностью его ко взрывам. Кроме того, он яв­ ляется сильным отравляющим веществом, действующим на слизи­

зико-химические свойства керосина указаны в табл. 4.4, а свой­

В широких пределах изменения температур, керосин является жид­ ким веществом. Керосин может быть использован для охлаждения двигателя: теплоемкость его равняется 0,45 ккал/кг град, темпера­ тура кипения при повышенных давлениях достигает 250° С. Пере­ возка и хранение керосина также не вызывают трудностей, а про­ изводство его обеспечено широким развитием нефтеперерабатываю­ щей промышленности.

Керосин может применяться в качестве горючего со всеми окислителями на основе кислородных соединений азота. Величина теплотворности топлива из азотной кислоты и керосина равняется

керосина и окислов азота не являются самовоспламеняющимися и требуют принудительного воспламенения.

Многочисленные попытки активизировать керосин, с тем чтобы обеспечить его самовоспламенение с азотной кислотой, не были успешными. Только в последнее время в печати появились сведения о том, что относительно небольшая (около 2 0 '%) прибавка в керо­ син несимметричного диметилгидразина * N2 H2 (CH3 ) 2 позволяет со­

здать горючее, довольно надежно самовоспламеняющееся с азотной кислотой и другими окислителями 'подобного типа.

ными свойствами при одинаковом химическом составе.

Хранение жидкого кислорода, его перевозка и заправка баков ракет сопровождаются значительными потерями кислорода вслед­ ствие испарения.

Жидкий кислород относительно безвреден для человека. При попадании на кожу в небольших количествах он кипит, и образую­ щийся слой газообразного кислорода предохраняет кожу от обмер­ зания.

За последние годы жидкий кислород стал интенсивно приме­ няться во многих областях техники, вследствие чего производство его налажено в широких масштабах. Удовлетворительно разреше­

ны также вопросы хранения и перевозки жидкого кислорода. Поэто­ му, несмотря на неизбежные потери, связанные с испарением, стои­ мость применяемого в ракетах жидкого кислорода невелика.

Г о р ю ч и е т о п л и в н а о с н о в е ж и д к о г о к и с л о р о д а

В качестве горючих для жидкого кислорода могут применяться любые углеводороды. Все они дают с жидким 0 2 несамовоспламе-

няющиеся топлива. Высокую теплотворную способность, равную 2200 ккал/кг, имеет топливо жидкий кислород + керосин. Это во­ обще одно из наиболее мощных освоенных в настоящее время топ­ лив. Оно использовано, например, в ракетах «Атлас» и «Тор». По­ пытки использовать топливо керосин+ кислород делались еще на заре развития ракетной техники. Трудности применения этого топ­

лива в Ж РД определяются высокой температурой его горения в камере двигателя, а также малым относительным содержанием керосина в топливе (примерно 2 0 %), что затрудняет решение за­

дачи надежного охлаждения двигателя.

В настоящее время широкое распространение получили топли­ ва с жидким кислородом в качестве окислителя и с этиловым или метиловым спиртами в качестве горючего.

Основные показатели этилового и метилового спиртов приве­ дены в табл. 4. 4. В технике применяется этиловый спирт 93,5%-ной или меньшей концентрации. Получение спирта более высокой кон­ центрации требует слишком сложной технологии. Теплотворность

спиртов ниже, чем у керосина, так как они имеют большую отрица­ тельную теплоту образования, но зато и температура сгорания

спирта в кислороде ниже. Это облегчает создание надежно рабо­ тающего двигателя. Удельный вес спиртов невелик (0,8 кг/л). Температура кипения достаточно высока (с учетом давления в ру­ башке охлаждения Ж РД ), что позволяет использовать спирт в ка­ честве охладителя. Теплоемкость спиртов несколько выше, чем у ке­ росина, и равняется примерно 0,6 ккал/кг град. Вследствие того, что в самом спирте содержится значительное количество кисло­ рода, относительное содержание спирта в топливе доходит до 40—45%. Это также способствует успешной организации охлаж­ дения двигателя спиртом.

2. Современные жидкие и твердые топлива для ракетных двигателей. 165

Этиловый и метиловый спирты в любой пропорции смешиваются с водой. Это позволяет легко получать топлива с различной тепло­ творностью, снижать таким образом температуру в камере сгора­ ния и увеличивать общую тепловосприимчивость горючего в лю­ бой степени. Именно по этому пути пошли конструкторы двигате­ лей первых баллистических ракет дальнего действия, применив в качестве горючего водный раствор спирта 75%-ной концентрации, хотя при этом удельная тяга двигателя была значительно сниже­ на (до 208 кгсек/кг).

Низкая температура застывания спирта позволяет использо­ вать его в широком диапазоне температур окружающей среды.

Спирт производится в очень больших количествах из самого разнообразного сырья. На конструкционные материалы спирт не оказывает агрессивного воздействия, это позволяет применять для спиртовых баков и магистралей сравнительно дешевые материалы.

Заменителем этилового спирта может служить метиловый спирт, дающий с кислородом топливо несколько худшего качества. Метиловый спирт смешивается с этиловым в любых пропорциях, что позволяет использовать его при недостатке этилового спирта и добавлять в некоторой доле в горючее. Топливо на основе жидкого кислорода применяется почти исключительно в ракетах дальнего

действия, допускающих и даже (вследствие большого веса) требую­ щих заправки ракеты компонентами на месте старта.

чайно нестойким продуктом, способным к самопроизвольному раз­ ложению, легко переходящему во взрыв под влиянием всяких, казалось бы, незначительных внешних воздействий: удара, освеще­ ния. малейшего загрязнения органическими веществами и поимесями некотооых металлов.

В ракетной технике применяются более стойкие высококонцент­ рированные растворы перекиси водорода в воде (чаще всего 80—90%-ной концентрации). Для повышения стойкости к перекиси водорода прибавляют небольшие количества веществ, препятствую­ щих ее самопроизвольному разложению (например, фосфорной кис­ лоты). Применение 80°/°-ной перекиси водорода требует в настоящее время принятия лишь обычных мер предосторожности, необходимых при обращении с сильными окислителями. Перекись водорода такой концентрации — прозрачная, слегка голубоватая жидкость с темпе­

тем, что стандартная теплота образования перекиси составляет 44,84 ккал/г-мол, в то время как теплота образования воды

166 Гл. IV. Топлива ракетных двигателей

равняется — 68,35 ккал/г-мол. Таким образом, при разложении пе­

рекиси в соответствии с реакцией НоС^НгО-Н/гОг выделяется хи­

м и ч е с к а я э н е р г и я , р а в н а я р а з н о с т и 6 8 , 3 5 — 4 4 , 8 4 = 2 3 , 5 1 ккал/г-мол,

НЛи 600 ккал/кг.

Перекись водорода 80%-ной концентрации обладает способ­ ностью к разложению в присутствии катализаторов с выделением тепла в количестве 190 ккал/кг и с выделением свободного кислоро­

да, который может быть использован для окисления горючего. Перекись водорода такой концентрации обладает значительным удельным весом (1,35 кг/л). Стабилизированная перекись водоро­

да может быть использована для охлаждения двигателя.

В качестве материалов для баков и трубопроводов двигателей, работающих на перекиси, могут служить нержавеющая сталь и очень чистый (с содержанием примесей до 0,5%) алюминий. Совершенно недопустимо применение меди и других тяжелых металлов, способ­ ствующих разложению перекиси водорода. Для прокладок и уплот­ нений могут применяться некоторые виды пластмасс. Концентриро­ ванная перекись водорода вызывает ожоги кожи и воспламеняет органические вещества.

Т о п л и в а н а о с н о в е п е р е к и с и в о д о р о д а

На основе перекиси водорода создано два типа топлив. Топлива первого типа представляют собой топлива раздельной

подачи, в которых кислород, выделяющийся при разложении пере­ киси водорода, используется для сжигания горючего. Примером мо­ жет служить топливо, применявшееся в описанном выше двигателе самолета-перехватчика (см. гл. III). Ош состояло из перекиси во­ дорода 80%-ной концентрации и смеси гидразин-гидрата (N2 H4-H20 )

с метиловым спиртом. При добавлении в горючее специального ката­ лизатора это топливо становится самовоспламеняющимся. Сравни­ тельно низкая теплотворность ( 1 0 2 0 ккал/кг), а также малый моле­

кулярный вес продуктов сгорания определяют низкую температуру сгорания, что облегчает работу двигателя. Однако из-за малой теп­ лотворности двигатель имеет низкую удельную тягу (190 кгсек/кг).

Другое топливо раздельной подачи состоит из перекиси водо­ рода 90—92%-ной концентрации и керосина. Оно дает удельную тягу почти такую же, как и топлива на основе азотной кислоты.

С водой и спиртом перекись водорода может образовывать отно­ сительно взрывобезопасные тройные смеси, которые являются при­ мером унитарного топлива. Теплотворность таких взрывобезопас­ ных смесей относительно невелика: 800—900 ккал/кг. Поэтому в ка­ честве основного топлива для Ж РД они едва ли будут применяться. Такие смеси могут использоваться в парогазогенераторах.

Реакция разложения концентрированной перекиси, как уже го­ ворилось, широко используется в ракетной технике для получения парогаза, являющегося рабочим телом турбины при насосной сис­ теме подачи.

Известны также двигатели, в которых энергия разложения пе­ рекиси служила для создания силы тяги. Удельная тяга таких дви­ гателей низкая (90— 100 кгсек/кг).

Д л я р азл о ж е н и я п ереки си и сп о л ь зую т д в а ти п а к ат а л и зат о р о в :

жидкий (например, водный раствор перманганата калия КМп0 4 или

натрия NaMnCXi) и твердый.

Твердый катализатор представляет собой пористое вещество,

в порах которого осажден катализатор, разлагающий перекись, на­ пример тот же самый перманганат калия. Другие типы твердых ка­ тализаторов образуются спеканием различных смесей, в состав ко­ торых также входит катализирующее вещество.

Твердый катализатор располагается непосредственно в реакторе, где происходит разложение перекиси водорода, вследствие чего ста­ новится излишней система подачи жидкого катализатора в реактор.

Т в е р д ы е р а к ет н ы е т о п л и в а

Исторически первым видом топлива, на котором работали ра­ кетные двигатели, были твердые топлива — пороха. Пороха пред­ ставляют собой особый вид взрывчатых веществ —■метательные взрывчатые вещества. Помимо требований, предъявляемых вообще ко всем ракетным топливам, твердые топлива должны удовлетворять еще и некоторым дополнительным требованиям. Основные из них следующие:

1.Твердое топливо должно устойчиво гореть при низких давле­ ниях в камере. Это требование существенно в связи с тем, что ка­ мера сгорания двигателя на твердом топливе является одновременно

ирезервуаром, содержащим все топливо. При высоком давлении большая толщина стенок приведет к большому весу камеры и боль­ шой величине относительного конечного веса рк ракеты.

2.От твердого топлива требуется высокая механическая проч­ ность. Это необходимо потому, что шашка твердого топлива под­

вергается воздействию давления в камере сгорания и значительным инерционным нагрузкам. Разрушение шашки в процессе горения при­ водит к увеличению поверхности горения, повышению давления в ка­ мере и взрыву двигателя.

3.Для обеспечения необходимой продолжительности горения твердого топлива шашка должна иметь большую толщину свода.

4.Шашки твердого топлива должны быть однородными и иден­

тичными по своим свойствам. В противном случае не может быть до­ стигнуто единообразие двигателей и ракет одного типа.

Некоторые другие требования, предъявляемые к твердым топли­ вам и порохам, будут указаны в гл. V, посвященной горению топлив.

В ракетных двигателях прошлого применялись в начале обыч­ ные артиллерийские пороха — черный, а затем пироксилиновый, из­ готавливаемый с применением так называемого летучего растворителя (эфира и спирта), который при затвердевании пороха

168 Га. IV. Топлива ракетных двигателей

удаляется из него путем испарения. Однако около 2 0 лет назад были

созданы специальные ракетные пороха на основе нитроцеллюлозы. Эти пороха представляют собой коллоидный раствор двух или не­ скольких нитроорганических соединений.

Основным веществом, входящим в состав пороха и обеспечиваю­ щим получение необходимых физических свойств пороха, является нитроцеллюлоза.

Нитроцеллюлоза (нитроклетчатка) получается путем обработки целлюлозы, т. е. органических волокнистых веществ (древесной цел­ люлозы или целлюлозы, получаемой из хлопка), концентрирован­ ной азотной кислотой. Для этого пакеты целлюлозы погружаются в чаны с азотной кислотой. При такой обработке целлюлоза превра­ щается в сложные органические эфиры, содержащие кислород, угле­ род, водород и азот.

Таким образом, нитроцеллюлоза представляет собой унитарное топливо, способное гореть с выделением тепла. Теплотворность это­ го топлива мала, так как в нем для полного сгорания недостает

раствора равномерного состава и физико-химических свойств), при­ меняется нитроглицерин. Нитроглицерин представляет собой раство­ ритель, который остается в составе пороха и не требует удаления пу­ тем испарения. Именно такие пороха называются порохами на нелетучем растворителе. Нитроглицерин является вторым основным веществом, входящим в состав пороха.

Нитроглицерин получается путем обработки глицерина смесью концентрированных азотной и серной кислот. В молекуле нитрогли­ церина [химическая формула C3Hs (ОИОг)з] находится значитель­ ное количество кислорода, который окисляет горючие элементы не только нитроглицерина, но и частично нитроклетчатки. Теплотвор­ ность нитроглицерина— 1485 ккал/кг. Нитроглицерин представляет собой основное вещество, обеспечивающее процесс горения. Вслед­ ствие этого процентное содержание его определяет теплотворность пороха.

При нормальной температуре нитроглицерин представляет собой тяжелую (удельный вес 1,6 кг/л) маслянистую жидкость. Чистый нитроглицерин бесцветен, технический имеет слабую желтую окрас­ ку. При повышении температуры нитроглицерин издает слабый слад­ коватый запах. Пары его ядовиты и вызывают головные боли, а боль­ шие дозы, поступившие в организм человека, могут вызвать отрав­ ление.

Обычные артиллерийские пороха (пироксилиновые ) приготовля­ ются растворением нитроклетчатки летучим растворителем (смесью спирта и эфира), который после изготовления шашки удаляется из нее высушиванием. В связи с этим из пироксилина нельзя было изготовлять толстосводные шашки, ибо они не могли быть пол­

2. Современные жидкие и твердые топлива для ракетных двигателей 169'

ностью высушены. Кроме того, пироксилиновые пороха имеют срав­ нительно низкую теплотворность. Именно поэтому современные ра­ кетные пороха изготовляются на нелетучих растворителях.

Глицерин, являющийся исходным продуктом для получения нит­ роглицерина, требует для своего изготовления затраты пищевых жи­ ров. Поэтому в производстве ракетных порохов нитроглицерин стре­ мятся хотя бы частично заменить другими растворителями, напри­ мер диэтилфталатом, динитротолуолом, диэтилгликольдинитратом и некоторыми другими.

Кроме перечисленных выше основных веществ, в ракетные поро­ ха вводят в небольших количествах различные добавки. Для при­ дания пороху химической стойкости в него добавляют такие веще­ ства, как дифениламин и централит. Эти вещества, предохраняя порох от химического разложения, препятствуют также и измене­ нию физических свойств и структуры пороха. Изменение структуры пороха при хранении крайне нежелательно, так как может вызвать нарушение нормального хода горения и взрыв двигателя. Некото­ рые добавки (вазелин, воск) служат для придания пороховой массе пластичности, необходимой в технологии изготовления пороховых шашек.

Поскольку ракетный порох представляет собой смесь различных веществ, теплотворность пороха определяется составом и теплотой образования его составляющих.

Азот, играющий роль связки, объединяющей в одну молекулу горючие и окислительные элементы, является в порохах, так же как и в .жидких топливах, балластом. Поэтому большое содержание азота приводит к уменьшению теплотворности пороха. Применяемая для порохов нитроцеллюлоза обычно содержит 12— 14% азота.

Теплотворность пороха определяется также величиной так назы­ ваемого кислородного баланса, т. е. величиной v для пороха или его составляющих. Для большинства порохов v < v 0 или, как го­

ворят, порох имеет отрицательный кислородный баланс, определя­ ющий недостаток кислорода (ct< 1 ) и неполное сгорание горючих

элементов.

Большинство составляющих ракетных порохов, кроме дифенил­ амина, имеет отрицательную теплоту образования.

Вследствие указанных причин (большое содержание азота, от­ рицательный кислородный баланс и отрицательная теплота образо­ вания составляющих) порох имеет относительно низкую теплотвор­ ность, изменяющуюся в пределах 820— 1250 ккал/кг в зависимости от содержания нитроглицерина (или другого растворителя).

В качестве энергетической характеристики ракетного пороха час­ то, помимо величины теплотворности, служит так называемая при­ веденная сила пороха fo в кгм/кг.

Силой пороха называется произведение газовой постоянной /? на температуру продуктов сгорания Т. Для определения приведен­ ной силы пороха температура сгорания берется в соответствии с