книги из ГПНТБ / Феодосьев В.И. Введение в ракетную технику Учеб. пособие
.pdf2. Горение ракетных порохов |
211 |
Скорость горения зависит в основном от свойств топлива. Поэто му различные топлива имеют различную склонность к вибрационно му горению. При подборе топлив для жидкостных ракетных двига телей в настоящее время много внимания уделяется отысканию топ лив, устойчивых по отношению к возникновению вибрационного го рения.
Кроме вибраций низкой частоты (порядка до 200 гц), в камере жидкостного ракетного двигателя имеют место также колебания зна чительно более высоких частот, имеющие меньшую амплитуду.
Как полагают, причины возникновения высокочастотных вибра ций во многом схожи с причинами возникновения колебаний низкой частоты. Однако они связаны не с процессом горения в камере в це лом, а с процессами горения и превращения жидкого топлива в на гретые газы в отдельных небольших объемах камеры.
*2. ГОРЕНИЕ РАКЕТНЫХ ПОРОХОВ
Скорость горения пороха
Ракетный порох представляет собой однородную непроницаемую для газов массу, в каждом малом объеме которой имеется необходи мая смесь горючих и окислительных элементов. Гпрение пороха про исходит с поверхности, и фронт пламени проникает в глубь тела, или, как говорят, свода пороха, только по мере сгорания вышележащих слоев.
Теоретически и экспериментально установлено, что горению по роха предшествует термическое разложение вещества на твердой его поверхности. Интенсивность реакции разложения определяется в ос новном скоростью подвода тепла из зоны, где происходит дальнейшее сгорание газообразных продуктов разложения, образовавшихся на поверхности горящего пороха. Подвод тепла к поверхности осущест вляется путем теплопроводности и лучеиспускания, так как течение газообразных продуктов всегда направлено от горящей поверхности и сколь-нибудь заметный конвективный подвод тепла к шашке невоз можен.
За основную характеристику горения пороха принимают величину скорости горения 0 П, т. е. толщину слоя пороха, сгорающего в едини цу времени. Обычно эта величина выражается в см/сек.
Так как порох представляет собой однородную массу, естествен но ожидать равномерное горение пороха по всей горящей поверх ности. И действительно, эксперименты с внезапной остановкой горе ния пороховой шашки подтверждают это предположение.
На фиг. 5. 14, а показан вид пороховой шашки до горения. Эта шашка была подожжена по всей поверхности, а затем по истечении некоторого времени потушена (см. фиг. 5.14, б). Из фотографий шашки видно, что горение по всей поверхности происходит достаточ но равномерно.
14*
2. |
Горение ракетных порохов |
213 |
|
Значение степени п в формуле (5. 4) |
изменяется для нитрогли |
||
цериновых порохов в |
пределах 0,6—0,8. |
Коэффициенты а и Ь за |
|
висят не только от состава пороха, но в значительной мере и от на чальной температуры пороха (перед началом горения).
Влияние на скорость горения начальной температуры пороха яв ляется естественным: увеличение этой температуры облегчает проте кание реакций разложения пороха на поверхности заряда и тем са мым увеличивает скорость горения. Вместе с тем вследствие
йавление в кг/см2-
Фиг. 5. 15. Зависимость |
скорости горения |
пороха |
|
от давления и |
начальной температуры |
заряда, |
|
а—быстро горящий |
порох, |
б —медленно горящий порох. |
|
относительно большой скорости горения и малой теплопроводности пороха в процессе горения не происходит прогрева всей пороховой шашки, так что температура пороха остается почти постоянной и рав ной его начальной температуре (происходит прогрев только очень тонкого слоя, практически уже вступившего в реакцию).
Зависимость скорости горения порохового заряда от его началь ной температуры достаточно ощутима и приводит к значительному изменению весового расхода продуктов сгорания в интервале темпе ратур от —50 до —f-50° С, характерном для различных времен года и климатических условий.
Типичные зависимости скорости горения порохов от давления и температуры показаны в логарифмических координатах на фиг. 5. 15.
Верхняя группа прямых относится к пороху, имеющему большую скорость горения ( 2 см/сек при давлении в 80 кг/см2 и начальной тем
214 |
Гл. V. Процессы в камере сгорания ракетного двигателя |
пературе заряда / = 21° С). Скорость горения этого пороха сравни тельномало зависит от давления (п = 0,52) и начальной температуры.
Нижняя группа прямых относится к медленно горящему пороху (скорость горения 0 , 6 см/сек при тех же давлении и температуре).
Однако зависимость скорости горения от температуры и особенно от давления для этого пороха является более сильной (я=0,71).
Твердые ракетные топлива на основе перхлоратов, получающие в настоящее время распространение в ракетной технике иностран ных армий, подчиняются качественно тем же законам горения, что и обычные пороха. Следует отметить, что скорость их горения за висит от начальной температуры заряда значительно меньше, чем это имеет место у обычных порохов. Для некоторых топлив давле ние также оказывает меньшее влияние на скорость их горения. Кро ме того, новые твердые топлива обладают способностью устойчиво гореть при сравнительно низких давлениях.
Указанные свойства новых твердых топлив являются их большим достоинством, так как количество продуктов сгорания, образующихся в единицу времени при горении топлива, будет меньше зависеть от климатических и метеорологических условий. Следовательно, тяга двигателя, а также (что очень важно) давление в камере ракетного двигателя будут изменяться в меньшем диапазоне. Уменьшенный диапазон изменения давления позволяет уменьшить запас прочности камеры. Если учесть, что перхлоратные твердые топлива могут гореть при значительно более низком давлении, чем обычные нитроглицери новые пороха, то станет понятно, что камеру сгорания ракетного дви гателя в этом случае можно делать гораздо более легкой.
Ф о р м а р а к е т н ы х п о р о х о в ы х з а р я д о в
Количество газов, образующихся в единицу времени при неизмен ном давлении, определяется, как это следует из выражения (5.2), ве личиной горящей поверхности заряда F„. В процессе горения порохо вой шашки величина Fn, вообще говоря, не остается постоянной и может как уменьшаться, так и увеличиваться. Если в процессе го рения поверхность Fa уменьшается, количество газов, образующихся в единицу времени, также уменьшается. Такое горение заряда назы вают дегрессивным. Если поверхность горения со временем увеличи ■ вается, количество образующихся в единицу времени газов также увеличивается. Горение заряда в этом случае называют прогрес сивным.
Придавая пороховой шашке различную форму, можно в извест ных пределах регулировать закон образования газов по времени.
Обычно при проектировании пороховых ракет стремятся обеспе чить постоянство тяги двигателя на траектории. Для этого необходи мо, очевидно, получать неизменное количество газов в единицу вре мени, т. е. иметь неизменную поверхность горения пороховых шашек. Чтобы выполнить это условие, шашки делаются специальной формы.
2. Горение ракетных порохов |
215 |
Примером может служить полая цилиндрическая, |
так называемая |
трубчатая, шашка, показанная на фиг. 5. 16. В этой шашке выгорание внешней цилиндрической поверхности приводит к уменьшению, а выгорание внутренней поверхности к такому же увеличению горящей поверхности. Если шашка имеет большую длину, то влияние горения торцов на общую поверхность очень незначительно и горение проис ходит при почти постоянной, точнее очень медленно убывающей
поверхности. Горение такой шашки будет, |
как говорят, слабо дегрес- |
||||
сивным. |
|
|
|
|
|
Отметим, что в некоторых слу |
|
|
|||
чаях, например |
для |
получения |
|
|
|
большой скорости ракеты при схо |
|
|
|||
де с коротких направляющих, не |
|
|
|||
обходимо бывает добиться быстро |
|
|
|||
го сгорания |
пороха |
(за 0 ,1 — |
|
|
|
0,3 сек.). В таких случаях увели |
|
|
|||
чивают поверхность |
шашек и |
|
|
||
уменьшают их толщину (толщину |
|
|
|||
свода). Заряд делают |
многоша |
Фиг. 5.16. Горение трубчатой шашки. |
|||
шечным (фиг. |
5. |
17, а). |
Применя |
Пунктиром показана поверхность горения |
|
ются и другие более сложные фор |
через t |
сек. Заштрихована горящая по |
|||
|
верхность с торца. |
||||
мы шашек, обеспечивающие необ ходимый закон изменения горя
щей поверхности (см. фиг. 5. 17, б и в). Особый интерес представляет шашка, имеющая форму, показанную на фиг. 5. 17, г. Такая шаш ка горит только по внутренней поверхности фигурного (звездооб разного в поперечном сечении) канала. Поэтому масса пороха, имеющего, как известно, малую теплопроводность, предохраняет стенки камеры сгорания ракетного двигателя от перегрева. Шашки такой формы могут найти применение для крупных ракетных дви гателей твердого топлива с относительно большой продолжитель ностью работы.
В некоторых случаях требуется получить заряд твердого топлива или пороха, способного гореть весьма продолжительное время (де сятки секунд). Это необходимо, например, для крупных ракетных двигателей или для пороховых аккумуляторов давления. Такие за ряды могут быть выполнены из так называемых бронированных ша шек. В этих шашках часть поверхности пороха покрывается пластмас сой (например, ацетилцеллюлозой), которая не горит сама и предох раняет от загорания покрытую ею поверхность шашки. На фиг. 5.18 изображена шашка, бронированная со всех сторон, кроме одного торца.
Горящая поверхность такой бронированной шашки остается стро го постоянной, что очень удобно для создания стабильного режима горения и получения постоянного количества продуктов сгорания, образующихся в единицу времени.
Фиг. 5. 17. Формы пороховых шашек и устройство порохового ракетного заряда.
а —семишашечный тонкосводный заряд,
/—стенка ракетной камеры. 2—пороховая шашка, б—заряд из трубчатых шашек, фиксируемых посредством
стержней.
/—стенка ракетной камеры, 2—центральный стакан для
разрывного заряда, |
3 —стержень для крепления шашки, |
4—пороховая шашка. |
|
в —заряд |
из крестообразных шашек. |
/ —стенка ракетной |
камеры, 2 —крестообразная пороховая |
шашка, |
5—стальные перегородки. |
г —заряд с фигурным внутренним каналом, горящий из нутри.
Фиг. 5. 18. Бронированная пороховая шашка, горящая с одного торца.
ю
s
двигателя ракетного сгорания камере в Процессы .V .лГ
218 Гл. V. Процессы в камере сгорания ракетного двигателя
горения до 20—40 кг/см. Твердые перхлоратные ракетные топлива имеют меньшую склонность к аномальному горению и без каких-либо добавок устойчиво горят при низких давлениях.
В о с п л а м е н е н и е р а к е т н о г о п о р о х о в о г о з а р я д а
Воспламенение ракетного порохового заряда осуществляется вос пламенителем.
Устройство воспламенителя схематически показано на фиг. 5. 20. Для зажигания воспламенителя по проводам 3 зажигательного
устройства |
(электрозапала) |
4, залитым герметизирующей |
масти |
||||||
кой а, |
подается электрический ток на нить накаливания б, |
которая |
|||||||
|
|
|
|
|
раскаляясь, поджигает легко воспламе |
||||
|
|
|
|
|
няющийся состав в. От этого состава вос |
||||
|
|
|
|
|
пламеняется заряд 2. |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
Корпус воспламенителя 1 может изго |
|||
|
|
|
|
|
товляться из пластмассы или металла. При |
||||
|
|
|
|
|
загорании воспламеняющего |
заряда он |
|||
|
|
|
|
|
разрушается, и горячие газы, образующие |
||||
|
|
|
|
|
ся при горении воспламенителя, обдувают |
||||
|
|
|
|
|
поверхность основного порохового заряда |
||||
|
|
|
|
|
и зажигают его. В процессе воспламене |
||||
Фиг. |
5.20. |
Устройство |
ния |
повышается, во-первых, |
температура |
||||
поверхности заряда до температуры вос |
|||||||||
воспламенителя. |
|||||||||
/—корпус |
воспламенителя, |
пламенения и, во-вторых, повышается дав |
|||||||
2— заряд |
воспламенителя, |
ление в камере до давления, обеспечиваю |
|||||||
3 — |
|
провода, |
подводящие |
ток |
|
|
|
||
к электрозапалу, |
4 — элек |
щего нормальное горение заряда. |
|
||||||
трозапал: а—герметизирую |
Время воспламенения порохового за |
||||||||
щая мастика, б—нить нака |
|||||||||
ливания, |
в —легковоспламе |
ряда должно быть возможно более корот |
|||||||
няющийся состав. |
ким. Для этого требуется интенсивная теп |
||||||||
|
|
|
|
|
|||||
лопередача от продуктов сгорания воспламенителя к пороховому заряду.
В условиях воспламенения, когда скорость движения газа по ка мере мала, важное значение для теплопередачи имеет теплопередача излучением. Но способность излучения у газов невелика. Для увели чения ее заряд воспламенителя составляется так, чтобы в его про дуктах сгорания имелось бы значительное количество твердых час тиц, интенсивно излучающих тепло. Поэтому заряд воспламенителя изготовляется или из черного (дымного) пороха, или из смеси магни евого (или алюминиевого) порошка и хлорнокислого калия (КСЮД,
при горении которых образуется довольно большое количество твер-
д ы х ч а с т и ц .
Более быстрое воспламенение (5— 10 мсек) обеспечивают воспла менители из КСЮ4 и Mg (или А1). Однако они более опасны в обра
щении. Кроме того, имеющийся в их составе металлический порошок может при длительном хранении окисляться, что приводит к отказу
воспламенителя. Время воспламенения ракетного заряда с помощью
3. Продукты сгорания топлив ракетных двигателей и их свойства |
219 |
черного пороха имеет большую длительность (25—30 мсек), но та кой воспламенитель при хранении оказывается более надежным.
Развитие процесса воспламенения по времени показано на фиг. 5. 21.
Каждое деление 10 миллцсек
Фиг. 5.21. Протекание воспламенения во времени.
/ —кривая силы тока |
в |
цепи нити |
накаливания, |
|||
А —подача |
тока на нить накаливания, |
В —сгора |
||||
/ / —кривая |
ние |
нити |
накаливания. |
в |
корпусе |
|
внутренних |
напряжений |
|||||
воспламенителя, |
С—начало разрушения |
корпуса. |
||||
/ / / —кривая |
нарастания |
давления в |
камере сго |
|||
рания, £>—давление, |
достаточное для начала го |
|||||
|
|
рения |
заряда. |
|
|
|
В камере сгорания порохового двигателя воспламенитель распо лагается на торцах заряда. Более надежное зажигание порохового заряда обеспечивает воспламенитель, расположенный у дна камеры. В этом случае воспламеняющие газы, прежде чем вытечь из сопла, обтекают весь заряд и нагревают его.
3 П Р О Д У К Т Ы С Г О Р А Н И Я Т О П Л И В Р А К Е Т Н Ы Х Д В И Г А Т Е Л Е Й И И Х С В О Й С Т В А
П а р а м е т р ы с о с т о я н и я г а з о в о й с м е с и
Процесс горения, протекающий в камере сгорания ракетного дви гателя, представляет собой совокупность сложных химических реак ций и необходимых для их осуществления подготовительных процес сов.
О с н о в н ы м р е з у л ь т а т о м п р о ц е с с а г о р е н и я я в л я е т с я |
п р е в р а щ е н и е |
жидкого или твердого топлива в нагретые до высокой температуры
п р о д у к т ы с г о р а н и я . Т а к к а к в т о п л и в о в х о д и т в с е г д а н е с к о л ь к о э л е
ментов, то продукты сгорания представляют собой смесь различных,
большей частью газообразных, химических соединений. Свойства про
дуктов сгорания топлива весьма существенно влияют на качество
220 Гл. V. Процессы в капере сгорания ракетного двигателя
протекания процессов горения и расширения. При выборе топлива, как мы видели, требуется тщательно учитывать свойства продуктов сгорания, иначе невозможно правильно оценить его качества. Еще большее внимание необходимо уделять термодинамическим свойст вам веществ, которые можно использовать в качестве носителей энергии в атомных ракетных двигателях будущего. Поэтому следует ознакомиться с основными термодинамическими свойствами газооб разных веществ и величинами, определяющими их состояние.
Состояние газа характеризуется следующими параметрами: абсо лютным давлением р, абсолютной температурой Т, плотностью р (или удельным весом Y, или удельным объемом V), а также газовой постоянной R.
Как известно, для идеальных газов (или для смесей идеальных газов) параметры р, р и Т связаны между собой уравнением состоя ния (уравнением Клапейрона):
|
-£-=>gRT. |
(5.5) |
|
р |
|
Плотность газа |
связана с удельным объемом соотношением |
|
В связи с этим |
уравнение состояния можно записать и так: |
|
|
p V — RT. |
(5.7) |
Величина газовой постоянной для смеси газов определяется со ставом последней. Для вычисления R можно использовать соотно
шение |
|
|
|
|
|
/? = — , |
(5-8) |
||
|
|
|
м-s |
|
здесь R —универсальная |
газовая постоянная, относящаяся к |
|||
1 кг-мол |
любого |
газа или любой газовой смеси; |
||
А*=848 кгм1кг-мол |
град, или в тепловых |
единицах |
||
AR = 1,986 |
ккал/кг-мол град-, |
|
||
ps — кажущийся молекулярный вес смеси. |
|
|||
Кажущийся молекулярный вес смеси |
|
|||
|
М£=Х!мгП> |
(5-9) |
||
где ^ — молекулярный |
вес i-го газа, составляющего |
смесь; |
||
rt — объемная доля |
газа |
с |
молекулярным весом |
|
Объемные доли газов в смеси проще всего выразить через парци альные давления р
Как известно, под парциальным давлением подразумевается такое давление газа, которое он имел бы, занимая весь объем, в котором