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

аминов и производных гидразина в сочетании с моноокисью фтора или фтороаммиачных топлив.

Из топлив на основе бора наиболее приемлемой следует считать суспензию его в керосине, немногим уступающую по энерговыделе­

нию смеси с пентабораном, но значительно более удобную в экс­

плуатации.

Использование в качестве горючих кремневодородов и трисила­ мина S13H9N (самовоспламеняющаяся на воздухе легкоподвижная

бесцветная жидкость) из-за трудности получения их в эксплуатации '

не оправдывается.

Рассмотрение теплового эффекта существующих элементарных горючих с наиболее эффективными окислителями позволяет сде­

лать вывод, что наиболее теплотворными из них являются водород, литий, бериллий, бор, углерод, натрий, алюминий, магний, кремний, фосфор, сера, калий и кальций. Причем расчеты показывают, что наиболее эффективными элементами среди них являются водород,

литий, бериллий и бор, при сгорании которых в жидком фторе мож­ но увеличить дальность полета снарядов.

Наибольшую удельную тягу (около 400 —кг тяги— ) раз-

кг топлива\сек

вивают топлива фтороводород и фторолитий. Повышением давле­ ния в камере сгорания при оптимальном коэффициенте избытка

окислителя и перерасширении газов в сопле (фториды металлов находятся в твердом состоянии, а фториды металлоидов — в газо­

образном) за счет этих топлив можно получить удельную тягу в пу-

.гг. кг тяги

стоте около 450 ------------------ , что, видимо, является достижимым

кг топлива] сек

пределом для химических источников энергии реакций окисления. Хотя применение малодоступных и дорогих твердых горючих элементов в ЖРД технически возможно и наиболее целесообразно в виде суспензий в керосине, аминах, гидразине и его производных, однако практическое использование их в настоящее время сомни­ тельно из-за большой вязкости, недостаточной стабильности (обра­ зуются сгустки) и относительно высокой температуры сгорания, затрудняющих эксплуатацию и охлаждение двигателя. Вследствие большой вязкости суспензий перепад давления в форсунках каме­ ры сгорания при прочих равных условиях должен быть в 3—6 раз

больше, чем при керосине.

Не исключено применение некоторых металлов и металлоидов для активации горючих или обеспечения химического зажигания

основного топлива при запуске двигателя.

§ 11. Основные характеристики окислителей горючих ЖРД

Окислителями называют вещества, в которых содержится по весу преобладающее количество окисляющих элементов (Ог, Оз, Н2О2 и др).

182 Гл. 5. Характеристики топлив ЖРД

Из всех потенциально возможных окислителей техническое зна­ чение могут иметь лишь те из них, коюрые при достаточной эффек­

тивности взаимодействия с горючим оказываются распространен­

ными и доступными для применения.

К числу главнейших окислителей относятся элементарные окис­ лители — фтор, кислород, хлор и другие сложные окислители,

представляющие собой соединения друг с другом кислорода, фто­ ра, хлора, азота в различных сочетаниях, некоторых соединениях

• их с горючими элементами (углеродом, водородом, серой и т. п.),

а также растворы окислителей друг в друге.

Существующие окислители горючих ЖРД можно разделить по

ряду следующих характерных признаков.

1.По физическому состоянию при нормальных условиях — на жидкие, газообразные и твердые окислители.

2.По окислительной основе — на окислители:

а) кислородные — жидкий кислород, его аллотропические видо­ изменения и соединения с горючими элементами;

б) азотные окислы и окислители, содержащие окислы азота или являющиеся их производными;

в) фторные — фтор, фториды кислорода, хлора, азота и другие

фторсодержащие соединения; г) хлорные — хлор, окислы хлора и окислители, содержащие

окислы хлора или являющиеся их производными.

Растворы различных окислителей друг в друге можно относить к одной из перечисленных выше групп подразделения окислителей по окислительной-основе в зависимости от того, какие окислители являются наиболее характерными в химическом отношении.

Впорядке убывающей активности в химических реакциях су­ ществующие наиболее эффективные элементарные окислители рас­

полагаются в ряд: фтор, кислород, хлор, бром и иод. До настоящего времени в ЖРД применяется лишь небольшое число окислителей.

Втабл. 5. 15 приведены физико-химические характеристики наи­

более эффективных окислителей, а в табл. 5. 16 — низшие стехиоме­ трические теплотворности толуола с этими окислителями. При вы­

числении теплотворности на основе сжиженных окислителей учтена

теплота их испарения и подогрева до нормальной температуры.

В табл. 5. 17 приведен элементарный состав рассматриваемых

окислителей. Из этой таблицы видно, что азотная кислота, перекись водорода, хлорная кислота и тетранитрометан содержат в себе го­ рючие элементы.

Ниже приведены краткие сведения об основных свойствах рас­ сматриваемых окислителей, имеющих первостепенное значение при их эксплуатации.

Азотная кислота в чистом виде представляет бесцветную ядови­

тую гигроскопическую жидкость, дымящуюся на воздухе, с сильно раздражающим запахом. Вследствие применения двуокиси азота она имеет окраску от желтой до бурой. При попадании на кожу

кислоту немедленно не смыть и не нейтрализовать, на коже обра­ зуются раны. В благоприятных условиях при соприкосновении го­

рючих твердых материалов (сухая деревянная стружка, вата в больших количествах) взрывоопасна. В твердом состоянии образу­

ет снежно-белые кристаллы.

Перекись водорода представляет собой бесцветную, в толстом слое голубоватую ядовитую малолетучую жидкость без запаха.

При попадании на кожу вызывает белые пятна, сопровождающиеся

зудом и жжением, но исчезающие через несколько часов; при дли­

тельном соприкосновении на коже появляются пузыри. Шерсть,, уголь, вата и некоторые другие горючие материалы воспламеняют­

ся с перекисью водорода. Взрывоопасна, стабилизируется. В твер­ дом состоянии — бесцветная кристаллическая масса.

Четырехокись азота в чистом виде является бесцветной ядови­

той жидкостью. Окислитель имеет обычно желтую окраску, которая

усиливается с повышением температуры вследствие разложения на двуокись азота. Низкая температура кипения обусловливает силь­

с едкими парами. На коже вызывает болезненные и опасные раны. Взрывоопасна при соприкосновении с горючими веществами (уголь, бумага, дерево и т. п.); частично стабилизируется при добавлении к ней около 1—2% четыреххлористого углерода.

Тетранитрометан в чистом виде представляет собой бесцветную

безвкусную жидкость. Он ядовит в большей степени, чем все про­ чие высококипящие окислители, кроме, возможно, фторсодержащих. Летуч, вызывает обильное слезоточение. Пары бесцветны, удушли­

вы, обладают резким запахом окислов азота. При попадании на кожу вызывает ее поражение. Горючие и твердые материалы (тка­ ни, древесина) при соприкосновении с ним не воспламеняются. Взры­ воопасен, стабилизируется, в твердом состоянии образует белые кристаллы.

Трифторид азота представляет собой сжиженный газ. В газо­ образном состоянии он бесцветен, весьма ядовит, взрывоопасен,,

устойчив к нагреванию и различным химическим воздействиям. В воде почти нерастворим; с водой в обычных условиях не реаги­ рует. Взаимодействие с водяными парами начинается лишь под. действием электрической энергии и протекает медленно. До настоя­ щего времени недостаточно изучен.

Нитрат фтора представляет собой сжиженный газ. В газообраз­ ном состоянии бесцветен, ядовит, обладает удушливым запахом. При хранении разлагается, а при соприкосновении с некоторыми

ковременное соприкосновение жидкого кислорода с телом человека

(доли секунды) безопасно, при более длительном происходит обмо­ раживание. Обычно горючие материалы в кислороде не воспламе­ няются. Взрывоопасен; в твердом состоянии — белая масса.

Жидкий фтор представляет собой желтую низкокипящую жид­

кость (сжиженный газ). Является наиболее сильным окислителем,

реагирующим практически со всеми органическими и неорганиче­

Критическое давление 55 атм, критическая температура —129° С.

Газообразный фтор в тонком слое почти бесцветен, в толстых

<слоях имеет зелено-желтый цвет. Он очень ядовит, обладает резким раздражающим запахом. Кратковременное воздействие паров фто­ ра на кожу вызывает нарывы с воспалением. Взрывоопасен. В твер­ дом состоянии — белая масса.

На основе фтора возможны окислители: жидкая перекись фтора

ЮгРг, жидкая окись фтора OF2, трехфтористый хлор C1F3, пятифто­ ристый бром BrFs и др. Эти окислители подобно самому фтору тер­ модинамически устойчивы и имеют неограниченный срок хранения.

Жидкая перекись фтора представляет собой кроваво-красную

низкокипящую жидкость (сжиженный газ). В газообразном состоя­ нии имеет бледно-коричневую окраску; при 50° С обесцвечивается вследствие распада на элементы. В твердом состоянии — оранже­ во-красные кристаллы. Недостаточно изучена. По поведению схожа

•с окисью фтора и фтором.

Жидкая окись фтора представляет собой желтую низкокипящую жидкость (сжиженный газ). В газообразном состоянии бесцветна ■с неприятным запахом фтора. По токсичности и агрессивности к ма­ териалам она немного уступает фтору. Эффективность топлив на

•основе моноокиси фтора выше кислородных, но ниже фторных, про­ изводство же моноокиси фтора сложнее, чем элементарного фтора.

Кратковременное соприкосновение с твердыми горючими мате­ риалами не приводит к воспламенению. Относительно взрывоопасна.

Трифтористый хлор имеет молекулярный вес 92,46, температуру

плавления —76,32° С, температуру кипения +11,75° С, критическую

температуру +153,5° С, удельный вес 1,885 кг/л (при 0°С).

Пятифтористый бром имеет молекулярный вес 174,92, темпера­

туру плавления —62,5° С, температуру кипения +40,3° С, критиче­ скую температуру около 197° С, удельный вес 2,547 кг/л (при 0°С).

Жидкий озон представляет собой фиолетового цвета низкокипящую очень ядовитую жидкость (сжиженный газ), в газообразном состоянии — голубого цвета с резким характерным запахом. По от­

ношению к горючим материалам более агрессивен, чем окись фтора, и вызывает воспламенение большинства жидких горючих (углево­ дороды, спирты, амины и др.) и твердых.

Весьма взрывоопасен, особенно в газообразном состоянии, сред­ ства стабилизации не найдены. В твердом состоянии — черного цве­ та с фиолетовым блеском.

Следовательно, все эти окислители по тем или иным причинам опасны в_ эксплуатации, так как они в большей или меньшей мере ядовиты и пожароопасны (кроме тетранитрометана), а примерно половина из них — взрывоопасны. Наименее безопасным в эксплуа­ тации является жидкий кислород. Все окислители, кроме фтора, при повышенной температуре разлагаются, что является существенным их недостатком.

Из табл. 5. 15 и приведенной выше краткой характеристики окислителей видно, что первые пять окислителей при нормальной температуре являются жидкими телами, а остальные — газообраз­ ными.

Для эксплуатации газообразные окислители должны быть сжи­

жены. Использование таких окислителей в ЖРД затруднено в свя­ зи с их бурным парообразованием и низкой температурой, вызываю­ щей замерзание клапанов двигателя, затвердевание уплотнительных резиновых прокладок и резиново-металлических деталей, с усиле­ нием опасности кавитации насосов и т. п.

Из табл. 5. 17 видно, что наименьший удельный вес имеют топ­ лива на основе кислорода и озона (1,07—1,26) и наибольший — топлива на основе тетранитрометана и хлорной кислоты (1,48— 1,51), тогда как удельный вес топлив с окислителями колеблется

в пределах 1,3—1,45.

Наиболее легкие и теплотворные топлива образуют низкокипящие окислители, а наиболее тяжелые и наименее теплотворные—вы-

сокипяшие окислители. Однако фтор, окись фтора и трифторид азота образуют более тяжелые топлива, чем азотная кислота, пере­

кись водорода и четырехокись азота.

В порядке возрастающей теплотворности с толуолом упомянутые

окислители располагаются в ряд: азотная кислота, перекись водо­ рода, четырехокись азота, хлорная кислота, тетранитрометан, три­ фторид азота, нитрат фтора, кислород, перекись фтора, фтор и озон.

Теплотворность топлива на основе хлорной кислоты и тетранит­ рометана больше, чем топлива на основе кислорода, а по отноше­ нию к последнему теплотворность при азотной кислоте меньше почти на 18% (см. табл. 5. 16). Существенно большую теплотвор­

188 Гл. 5. Характеристики топлив ЖРД

ность имеют топлива на основе фтора, окиси и перекиси фтора и озона.

Наибольшее газообразование и наименьшую температуру горе­ ния имеет топливо на основе концентрированной перекиси водорода,, а за ней следует топливо на основе азотной кислоты (см. табл. 5.16). Не отличаются существенно газообразованием и температурой го­

рения топлива на основе хлорной кислоты, тетранитрометана и четырехокиси азота.

Теплотворность этих топлив практически также одинакова. Бо­ лее высокую температуру горения имеет топливо на основе кисло­ рода и особенно озона. Очевидно, значительная эффективность этих топлив и объясняется высокой температурой их горения, что весьма невыгодно для эксплуатации двигателя (его охлаждения). Это так­ же относится и к фтору и фторсодержащим окислителям. Преиму­ щество фтора перед кислородом состоит в большой активности его

в реакциях и летучести фторидов при сравнительно большей теп­ лотворности.

Очевидно, -что при одинаковой теплотворности преимущество

будет за тем окислителем, на основе которого при прочих равных условиях получается топливо с наибольшим газовыделением и с наименьшей температурой горения. Однако при этом не следует также забывать и другие свойства этих окислителей, оказывающие существенное влияние на их выбор и использование.

Содержание того или другого окислителя в топливных смесях

обычно велико, что создает трудности при смешивании его с горю­ чим в камере ЖРД. В этом отношении выгоднее низкокипящие окислители, которые легко испаряются и быстро заполняют объем камеры сгорания.

Эффективность окислителей в значительной мере зависит от по­ добранного к ним горючего. Для предварительной оценки окисли­ теля, горючего и топлива в целом необходимо учитывать их удель­ ный вес, удельную тягу и относительный запас топлива в баках снаряда.

Расчеты показывают, что в случае применения в качестве го­

рючего керосина рассматриваемые окислители в порядке возрастаю­ щей относительной эффективности располагаются в ряд: азотная ки­ слота, четырехокись азота, перекись водорода, хлорная кислота, тетранитрометан, трифторид азота, нитрат фтора, фтор, озон, окись фтора и перекись фтора. При применении этих окислителей с дру­

гими горючими картина их эффективности для керосина может

быть несколько другой.

Углеводородные топлива на основе безводных азотной кислоты