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

2. Современные жидкие и твердые топлива для ракетных двигателей 171

условиями сгорания пороха в ракетном двигателе при постоянном давлении.

Приведенная сила пороха непосредственно входит в выражения,

•определяющие скорость истечения, и поэтому в некоторых случаях

•она более удобна для расчетов, чем теплотворность.

Состав и свойства некоторых ракетных порохов приведены в табл, 4. 6 .

Для обычных ракетных порохов только с трудом можно обес­ печить горение при достаточно низких давлениях; кроме того, поро­ ха дороги. Поэтому в самые последние годы начали разрабатывать­ ся новые твердые топлива, которые уже нельзя, строго говоря, назы­ вать порохами (метательными В В ).

В этих топливах используются в качестве окислителя неоргани­ ческие вещества, богатые кислородом: соли хлорной кислоты, так называемые перхлораты (например, перхлорат калия КСЮ4 или

аммония NH4CIO4), соли азотной кислоты (например, аммиачная ■селитра NH4NO3 или калийная селитра KNO3).

Эти неорганические окислители механически смешиваются с горючими. В качестве горючих могут быть применены самые раз­ личные вещества, богатые горючими элементами. Сейчас чаще все­ го применяются каучук, асфальт, органические смолы, полиэтилены

менты. Горючие твердых топлив являются одновременно и связка­ ми, обеспечивающими, во-первых, однородность смеси, а во-вторых, получение после охлаждения (для асфальтовых топлив смешение производится, в горячем состоянии) или после вулканизации (для каучуковых топлив) твердых шашек с необходимыми механически­ ми свойствами. Состав и свойства некоторых новых твердых топлив приведены в табл. 4. 7.

Достоинства этих топлив следующие: большой удельный вес, простота изготовления шашек способом отливки, относительная де­ шевизна, способность гореть при низких давлениях.

Можно ожидать дальнейшего развития твердых топлив. Их теп­ лотворность можно повысить за счет применения новых горючих элементов и изменения состава таким образом, чтобы содержание в них кислорода обеспечило бы наилучшее сгорание топлива.

Классификация твердых ракетных топлив приведена на фиг. 4. 3.

П у т и р а з р а б о т к и н о в ы х т о п л и в п о в ы ш е н н о й э ф ф е к т и в н о с т и

Дальнейшее совершенствование ракетных летательных аппара­ тов настойчиво требует всемерного повышения удельной тяги ракет­ ных двигателей. Достигается это в первую очередь разработкой но­ вых топлив.

На первом этапе работ по новым топливам, начиная с работ

174 Гл. IV. Топлива ракетных двигателей

малой весовой теплоемкости температура продуктов сгорания, под­ считанная даже с учетом диссоциации, достигает 5000° асб. При этом затрата тепла на диссоциацию составляет 2600 ккал/кг, т. е. 67|,/о» от величины Kq. Высокая температура кипения окислов алюминия приводит к тому, что 2 1 'Vo (по весу) продуктов сгорания в камере

жание продуктов сгорания в конденсированной фазе определяют низкую эффективность процесса расширения. По этим причинам,, несмотря на высокую величину Ко.расчетная удельная тяга -Рудо(юо: о равна всего 230 единицам. Рассмотренный пример говорит о том, что многие надежды, связанные с применением металлических топ­ лив, оказались необоснованными.

Несколько лучшие результаты можно получить при сжигании металлических горючих с фтором. Однако при внедрении в ракет­ ную технику очень ядовитых и агрессивных фтористых окислите­ лей следует ожидать больших затруднений.

Применение твердых (металлических) горючих можно себе пред­

ческих и металловодородных соединений, которые при нормальных; условиях являются жидкими. Физические свойства некоторых ме­ таллоорганических и металловодородных соединений приведены в

Недостатки металлических топлив, обнаруженные при более глубоком их изучении, заставили в настоящее время обратить вни­ мание на топлива с лучшими термодинамическими свойствами про­ дуктов сгорания.

теплотворность всего 1650 ккал/кг, может обеспечить земную удель­ ную тягу 280—290 кг сек/кг, что примерно равно удельной тяге топ­ лива кислород+керосин. При этом температура в камере сгорания составляет всего 3000° абс. (против 3600° абс. для топлива кис­ лород-}- керосин). Такие результаты являются следствием большо­ го содержания в продуктах сгорания двухатомных газов с малым молекулярным весом.

Именно по этой причине в настоящее время широко обсуждается

ются трехатомные газы и эффективность процессов горения и рас­ ширения сильно возрастает. Как было отмечено выше, фтористые окислители могут оказаться целесообразными и для сжигания обыч­ ных углеводородных горючих.

В литературе по вопросам ракетной техники рассматриваются и другие способы повышения эффективности ракетных топлив.

Теплотворность химических топлив может быть повышена путем применения в качестве компонентов веществ, имеющих большуюположительную стандартную теплоту образования (АН°т>0).

Примером веществ с положительной теплотой образования мо­ гут служить горючие или окислительные элементы, находящиеся не- в стандартном молекулярном, а в атомарном состоянии. При этом на образование атомарных элементов затрачиваются весьма боль­

хранения.

Другим примером являются такие вещества, как, например, озон 0 3, требующий для своего образования из молекулярного кислоро­ да 730 ккал/кг, и ацетилен С2Н2, образующийся из углерода и во­ дорода с затратой 2 1 2 0 ккал/кг.

Недостаток этих веществ заключается в малой стойкости и склонности к взрывам при хранении и горении, что затрудняет их использование в двигателях. Только вещества с очень малой по­ ложительной теплотой образования — тетранитрометан C(N 0 2 ) 4 —•

находят применение в ракетной технике.

Дальнейшие работы по изысканию ракетных топлив повышенной эффективности обеспечены сейчас значительно лучше, чем раньше, так как появились более или менее точные таблицы термодинами­ ческих свойств продуктов сгорания. Это позволяет выбирать расчет­ ным путем, не прибегая к трудноосуществимым и дорогим опытам.

Выделение ядерной энергии возможно получить двумя путями. Первый путь-—разложение ядер тяжелых элементов (располагаю­ щихся в конце таблицы Менделеева) с образованием более легких элементов, которое сопровождается большим дефектом массы. Вто­ рой путь — синтез относительно тяжелых ядер из ядер легких эле­ ментов, который также сопровождается большим дефектом массы. В первом случае мы имеем дело с реакциями деления ядер тяже­ лых элементов, а во втором — с так называемыми термоядерными реакциями.

Наиболее легко осуществляются реакции деления ядер атомов элементов, имеющих большие массовые числа. Оказывается, что чем больше массовое число ядра тяжелого элемента, тем менее устойчиво ядро', тем большей склонностью к распаду оно обладает. Именно тяжелые ядра элементов обладают свойством радиоактив­ ности, которая характеризуется излучениями, возникающими при делении ядра.

Однако для получения большого и постоянного выхода энергии при реакциях деления необходимо искусственно возбуждать ядра. Величина энергии возбуждения сама по себе должна быть значи­ тельна; кроме того, возбуждающая частица, несущая необходи­ мую энергию, должна проникнуть в ядро. Для интенсивного воз­ буждения ядер мало пригодны заряженные частицы, так как боль­ шую часть своей энергии они теряют на преодоление сил электриче­ ского поля самого ядра. Наиболее подходящими частицами для воз­ буждения ядра являются не имеющие заряда нейтроны.

Для поддержания напрекращающейся реакции деления или не­ обходимо иметь посторонний источник испускания нейтронов, обла­ дающих нужным запасом энергии, или сама ядерная реакция долж­ на являться источником нейтронов для возбуждения все новых и новых ядер. Именно в результате осуществления цепной ядерной реакции деления стало возможным практическое использование энергии тяжелых ядер.

Энергия, освобождающаяся при делении атомных ядер, может быть выделена как в реакциях взрывного характера (атомная бом­ ба), так и в управляемых цепных реакциях, осуществляемых в так называемых атомных котлах.

Что касается термоядерных реакций, то техническое их освоение сталкивается с еще более серьезными трудностями. Условия про­ текания термоядерных реакций требуют наличия колоссальных температур, соизмеримых с внутризвездными температурами.

В настоящее время практическое значение с энергетической точ­ ки зрения имеют термоядерные реакции взрывного характера (водо­ родная бомба). Источником высокой температуры для возбуждения таких реакций является взрывная цепная реакция деления (атом­ ный взрыв). Управляемые термоядерные реакции с непрерывным выделением энергии находятся в стадии первоначальных научноисследовательских разработок.

Ядерные ракетные двигатели

Использование энергии ядерных реакций в ракетных двигателях возможно различными способами. В так называемых ядерных ра­ кетных двигателях (ЯРД) энергия ядерных реакций, выделяющая­ ся в ядерном реакторе, поглощается каким-либо рабочим телом в виде энергии теплового движения частиц рабочего тела. Последую­ щее преобразование этой энергии в кинетическую энергию отбрасы­ ваемых частиц и создание тяги осуществляется, как и в обычных ракетных двигателях, в сверхзвуковом сопле.

Вкачестве рабочего тела ЯРД должно быть выбрано вещество

схорошими термодинамическими свойствами, т. е., как было пока­ зано выше, вещество с малым числом атомов в молекуле и возмож­ но меньшим молекулярным весом. Таким веществом (из возможных для использования) является в первую очередь водород Н2, затем идут аммиак NH3, вода Н2 0 , гидразин N2 H4, весовые теплоемко­

сти которых также сравнительно высоки.

Данные о количестве Ка в ккал/кг, аккумулированного в 1 кг рабочего тела, состоящего из различных веществ, при темпера­ туре 4000 и 6000° абс. приведены в табл. 4. 10. Там же приведены

количества активного вещества Ga (урана U925 или плутония

Рим9), необходимого для нагревания 1 кг рабочего тела до соот­

ветствующих температур.

Как показывают эти данные, расход активного вещества — но­ сителя ядерной энергии — очень мал, так что термодинамические свойства вещества, участвующего в процессе расширения, и удель­ ная тяга, развиваемая ядерным горючим в ракетных двигателях, целиком определяются типом рабочего тела, максимальной тем­ пературой его нагрева и перепадом давлений в ракетном дви­ гателе.

Величины удельной тяги, достигаемой на различных рабочих те­ лах при различных температурах и различных перепадах давлений, приведены в табл. 4. 10. Удельные тяги рассчитаны с учетом диссо­ циации при нагреве рабочего тела, рекомбинации продуктов сгора­ ния в процессе течения по соплу и при расширении от максимально­ го давления до давления на срезе сопла, равного 1 кг/см2 при работе

двигателя на земле. Данные о величинах удельной тяги говорят о том, что при ограниченной до 4000° абс. температуре высокие зна­ чения удельной тяги могут быть получены при использовании в ка­ честве рабочего тела водорода. Однако удельный вес жидкого водо­ рода при температуре кипения равен всего 0,07 кг/л, что резко ухуд­ шает весовые качества ракеты. Более высокие удельные тяги, чем развиваемые на химических топливах, можно получить на рабочих телах, имеющих удовлетворительные удельные веса и содержащих относительно большое количество водорода, а именно на жидком аммиаке, гидразине и воде.