книги из ГПНТБ / Шевелюк, М. И. Теоретические основы проектирования жидкостных ракетных двигателей учебное пособие для высших учебных заведений

компонентов топлива при эксплуатационных давлениях и темпера­

турах, обеспечивающих длительное хранение их в неизмененном со­ стоянии и эффективное использование в двигателе снаряда.

Летучесть компонентов топлива особенно нежелательна, еслиих пары огнеопасны или ядовиты.

При длительном хранении компоненты топлива не должны вы­ делять твердые и смолистые осадки. Для предохранения некоторых компонентов топлива от смолообразования к ним прибавляют спе­ циальные вещества — антиоксиданты (ингибиторы).

Хранение сжиженных компонентов топлива представляет боль­

нент топлива при незначительном понижении температуры не пе­ решел в твердое состояние и не сделался настолько густым, что подача его в камеру сгорания станет затруднительной или совсем

топлива.

13. Возможно малая химическая активность (коррозийное дей­ ствие) компонентов топлива по отношению к материалам двигате­ ля, что позволяет хранить компоненты топлива в баках, выполнен­ ных из некислотоупорных материалов. Азотная кислота с неболь­ шой примесью воды разрушает некоторые металлы, претерпевая

при этом структурное изменение, ухудшающее ее качество как окислителя. Перекись водорода претерпевает качественное измене­ ние при соприкосновении с поверхностью металлов, не разрушая их. Для азотной кислоты и перекиси водорода требуются баки и трубо­ проводы из специальных материалов.

14. Возможно малая гигроскопичность компонентов топлива,

т. е. склонность их к поглощению влаги из атмосферы, что снижает концентрацию компонентов, засоряет их кристаллами при вымора­

живании и делает агрессивными для многих металлов.

15. Безопасность при хранении и эксплуатации компонентов топлива, т. е. компоненты топлива не должны бурно испаряться, взрываться и воспламеняться в присутствии атмосферного воздуха.

Парообразование топлива в баке при хранении может вызвать повышение давления и взрыв бака.

Некоторые компоненты топлива являются неустойчивыми (жидкий кислород, жидкий аммиак и др.) и огнеопасными веще­

170 Гл. 5. Характеристики топлив ЖРД

ствами, склонными к детонации при загрязнении, повышении тем­ пературы при ударе (например перекись водорода, нитрометан

идр.).

Огнеопасность особенно присуща многим окислителям, входящим

в химическое соединение со значительным количеством органиче­ ских веществ (например азотная кислота и перекись водорода вы­ зывают самовоспламенение при контакте со многими органически­ ми веществами). Большинство горючих.легко воспламеняется при небольшом нагревании на воздухе.

Азотная кислота, перекись водорода, анилин и некоторые дру­ гие компоненты топлива, попадая на тело человека, вызывают серь­ езные ожоги. При применении таких компонентов топлива требу­ ются соответствующие меры предосторожности. Огнеопасность го­

рючих определяется температурой вспышки; чем ниже эта темпе­ ратура, тем огнеопаснее горючее.

16. Компоненты топлива не должны быть токсичными как в жидком, так и в газообразном состояниях, чтобы избежать отрав­ ления ими обслуживающего персонала. Однако при соответствую­ щих мерах предосторожности токсичность эффективного компонен­

лива с отечественных баз. Широко применяемые в настоящее вре­ мя компоненты топлива, особенно окислители, имеют более высо­ кую стоимость, чем горючие для воздушно-реактивных и поршне­ вых двигателей.

Содержание в компонентах топлива посторонних примесей не­ допустимо, так как они снижают характеристики и надежность ра­

боты двигателя. Твердые примеси в компонентах топлива вызы­ вают износ форсунок и насосов и по авиационным нормам не

должны превышать 0,005%.

Перечисленные требования к топливу определяют его техниче­

ское применение, развиваемую им удельную тягу, способ охлажде­ ния камеры сгорания и сопла, систему топливоподачи, надежность

ибезотказность работы двигателя на данном топливе.

Внастоящее время не существует такого топлива, которое пол­

ностью удовлетворяло бы всем перечисленным требованиям. По­ этому приходится из большого числа известных химических соеди­ нений выбирать такие комбинации, которые для заданных условий работы двигателя способны дать наилучшие результаты.

Наибольшие трудности представляет выбор окислителя, так

как почти все окислители малоустойчивы, взрывоопасны, ядовиты

и дороги.

Многообразие требований, предъявляемых к компонентам топли­ ва, приводит к тому, что в настоящее время практическое приме­ нение имеют лишь некоторые из них. Во многих случаях приходится отказываться от ряда перечисленных выше требований к виду дру­

рых в преобладающем количестве входят горючие элементы (С, Н, Be, Al и др.).

С технической точки зрения горючим может считаться любое вещество, характеризующееся значительным тепловыделением при сгорании единицы веса или объема, достаточной активностью к вступлению в реакцию сгорания с данным окислителем, распро­ страненностью и доступностью для массового применения.

По основным характерным признакам существующие горючие топлив подразделяются:

3)по числу компонентов, составляющих горючее, — на одно­

компонентные и многокомпонентные;

4)по характеру реагирования горючего при контакте с окисли­

телями — на несамовоспламеняющиеся (несамореагирующие) и

самовоспламеняющиеся (самореагирующие); 5) по характеру применения — на основной или рабочий ком­

понент топлива и вспомогательный или пусковой компонент топли­ ва, т. е. применяемый только при запуске двигателя.

В настоящее время в ЖРД получили применение в основном сложные горючие. К числу основных, заслуживающих наибольше­

го внимания сложных горючих ЖРД относятся:

1)углеводородные горючие — керосины и близкие к ним угле­ водороды, в том числе бензол, нитробензол и нитротолуол,

2)кислородоуглеводородные горючие — спирты: этиловый, ме­ тиловый, пропиловый, фурфуриловый и их растворы;

3)азотноуглеводородные горючие — амины: анилин, диэтил-

амин, триэтиламин, ксилидин и их растворы;

4)азотноводородные горючие — аммиак, гидразин и их произ­ водные (гидразингидрат, метилгидразин, диметилгидразин) и

5)бороводородные горючие — пентаборан, диборинамид и др Все эти горючие, кроме аммиака, при обычных условиях нахо­

дятся в жидком состоянии, что существенно облегчает их приме­ нение.

Углеводородные горючие. В качестве горючего для ЖРД большого внимания заслуживают углеводородные горючие,

ся химической природой керосина и зависит от коэффициента со­ става топлива и условий его сгорания.

В случае применения керосина для охлаждения камеры двига­ теля нужно учитывать его склонность при высоких температурах к смолообразованию на охлаждаемой поверхности оболочки каме­

ры, которое может значительно ухудшить условия охлаждения дви­

гателя. Керосин такого назначения необходимо контролировать на

содержание в нем фактических и потенциальных смол.

По чисто эксплуатационным соображениям в некоторых случаях целесообразно применить другие горючие. Так, в качестве горюче­

го ЖРД может быть успешно использован керосин, представляющий фракцию, выкипающую в пределах 150—280° С при прямой пере­ гонке нефти.

Этот керосин имеет следующие основные характеристики:

1) элементарный весовой состав: Сг=86,76%; Нг= 12,76%

и Ог = 0,48%;

2) низшая теплотворность при сжигании в кислороде

10 250 ккал!кг-,

3)физические свойства при 20° С: удельный вес 0,819 кг/л-, вяз­ кость 1,84 сст, теплоемкость 0,49 ккал)кг °C;

4)температура застывания минус 60° С, кйпения 4-150° С, кон­ ца перегонки 98% — около 280° С;

5)теплота образования — плюс 35 ккал/кмоль, теплота испа­

рения — около 79 ккал)кг.

Несколько лучше должно сгорать в ЖРД совместно с кислоро­ дом дизельное горючее, обладающее минимальной задержкой вос­ пламенения и достаточно низкой температурой застывания.

Жидкий водород не может быть рекомендован для применения в качестве горючего ЖРД вследствие его крайне низкого удель­

ного веса, трудностей получения, хранения и использования

в жидком состоянии, несмотря на его относительно высокую тепло­ творность.

Кислородоуглеводородные горючие. Из углево­ дородов, содержащих кислород, наибольшее применение в ЖРД в качестве горючего получил этиловый спирт 75—92 %-ной концен­ трации по весу в водном растворе. Этиловый спирт разбавляют водой для снижения его температуры сгорания и облегчения при

этом охлаждения двигателя.

По удельному весу они мало отличаются от углеводородов. Теплотворность большинства углеводородов, содержащих кис­

лород, меньше теплотворности углеводородов вследствие высокого положительного значения их теплот образования. Однако приме-

Удельный вес, кг/л:

Заменителями этилового спирта могут служить смеси других спиртов, имеющие почти такие же теплотворности, температуры горения и другие характеристики, что весьма важно для расшире­ ния возможности эксплуатации двигателей определенной конструк­

ции.

Для форсирования работы кислородно-спиртовых двигателей

возможен перевод их на горючее, состоящее из спирта и авиацион-

при достаточно высоких температурах. При увеличении содержа­ ния воды в спиртах температура расслоения горючей смеси повы­

шается.

Фурфуроловый спирт прибавляют к некоторым горючим для их самовоспламенения при смешении с окислителем. Он представ­ ляет собой бесцветную ароматическую жидкость, слабо раствори­ мую в нефтяных углеводородах, с температурой вспышки около

91,3° С.

Азотноуглеводородные горючие. К азотноуглево­ дородным горючим относятся алифатические и ароматические ами­ ны. Из них в качестве горючих в ЖРД получили применение ани­ лин, диэтиламин, триэтиламин и ксилидин. В табл. 5. 14 приведены основные характеристики аминов и нитросоединений.

В качестве самостоятельных горючих наибольшее применение получили анилин и горючее тонка-250, состоящее из 50% триэтиламина и 50% ксилидина. Остальные упомянутые амины в том или ином количестве могут входить в состав других смесей горючих.

Ксилидин весьма плохо смешивается с водой. Триэтиламин до­ статочно хорошо смешивается с водой и этим создает возможность обводнения горючего тонка-250 до весьма заметной величины без выпадения фазы.

Основные характеристики горючего тонка-250: .

1) элементарный весовой состав: Сг=75,252%; Нг= 12,046 %

и Nr =12,702%;

2) низшая теплотворность при сгорании в кислороде

9095 ккал]кг\

3)температура застывания —50° С, кипения +85° С;

4)удельный вес 0,845 кг]л при 20° С, теплоемкость 0,55 ккал/кг

°C и кинематическая вязкость 1,19 сст (при 20° С);

5) теплота испарения при температуре от —60 до -|-250о С соот­ ветственно 80,3—59,3 ккал/кг.

Азотноводородные горючие. Из числа азотноводо­ родных горючих (гибридов азота) наибольшего внимания заслу­ живают аммиак, гидразин и его производные: гидразингидрат, метилгидразин и диметилгидразин.

Аммиак (NH3) при нормальных условиях представляет собой бесцветный газ с резким характерным запахом. Он ядовит, пора­ жает слизистую оболочку глаз и дыхательных органов. Безопасно допустимая концентрация его на 1 л воздуха не более 0,02 мг. В жидком состоянии его можно длительно хранить под давлением. Он хорошо растворяется в большом числе органических и неорга­ нических соединений и даже в металлах.

Основные физико-химические характеристики аммиака:

Поскольку в аммиаке по весу содержится горючего всего 17,8% (водорода), он не может гореть на воздухе и способен гореть толь­

ко в кислороде желтым пламенем, самовоспламеняясь при 700° С. Однако применение в ЖРД аммиака с кислородом нецелесообразно из-за вялости его в химических реакциях, низкой температуры ки­ пения и токсичности, хотя его температура горения ниже и охлаж­

дающие свойства (в случае применения для охлаждения камеры двигателя) лучше, чем керосина.

Гидразин (N2H4) получается из аммиака и представляет собой

при нормальных условиях бесцветную, дымящуюся на воздухе ядо­ витую жидкость, поглощающую из атмосферы влагу, углекислоту и кислород. Он смешивается с водой, спиртами, аммиаком и дру­

гими неполярными жидкостями.

Гидразин обладает нестабильностью, в безводном состоянии подвергается каталитическому и термическому разложению на эле­

менты и на смесь аммиака с азотом. На воздухе он горит синим пламенем. Гидразин не чувствителен к удару, температура воспла­ менения его в кислороде ниже, чем в воздухе, и выше всего в азо­ те. Он разрушает резину и многие органические материалы.

Основные физико-химические характеристики гидразина: