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

фтор и нитрат фтора с углеводородами обеспечивают относитель­ но большую, но практически одинаковую удельную тягу (с кероси-

Из числа жидких при нормальной температуре окислителей наибольшую ценность представляет азотная кислота, так как она является наиболее доступным и дешевым продуктом химической

промышленности.

В двигателях она удовлетворительно срабатывает с окисла ми азота и без них, как с самовоспламеняющимися при контакте, так и с несамовоспламеняющимися горючими.

Основными недостатками азотной кислоты являются:

в герметично закрытых баках соответствующих аппаратов при тем­ пературе 50—60° С;

ной кислоты), исключающая или значительно осложняющая при­

Для повышения качества азотной кислоты целесообразно раст­ ворять в ней более эффективные высококипящие окислители — четы-

рехокись и пятиокись азота и хлорную кислоту.

При нормальной температуре насыщение четырехокисью азот­ ной кислоты наступает при 52—54% по весу. Максимум удельного веса раствора соответствует 42% четырехокиси азота в азотной кислоте, но этот раствор имеет температуру замерзания около

—20°С и низкую температуру кипения (29° С). При уменьшении

содержания в растворе четырехокиси азота понижается температу­ ра замерзания, но температура кипения остается почти неизменной

(табл. 5. 18).

Для получения раствора с температурой замерзания выше

—40° С содержание четырехокиси азота в азотной кислоте не дол­ жно превышать 35% по весу. При этом вязкость раствора при тем­

фективности топлива относительно азотной кислоты на 3—5%.

Основные характеристики окислителя 80% HNO3 98%-ной

+20% N2O4:

1) физические свойства при 20° С: удельный вес 1,600 кг/л; ки­ нематическая вязкость 5,8 сст; теплоемкость 0,48 ккал/кг °C;

Таблица 5.18

Характеристики растворов в азотной кислоте четырехокиси азота при нормальном давлении

окислителей относятся низкая температура кипения у четырехоки­ си азота (-(-22,15° С) и высокая температура застывания у тетра­

нитрометана (-(-13,8° С). Поэтому практически их можно исполь­ зовать при охлаждении или нагревании соответственно перед за­ правкой в баки снаряда либо в виде растворов друг в друге и в

некоторых других окислителях. Применение тетранитрометана в чистом виде также ограничено его взрывчатостью (скорость рас­

пространения детонации достигает 5800 м[сек}.

Тетранитрометан может служить добавкой к горючим для уве­ личения полноты сгорания и удельного веса, что может увеличить Руд и эффективность топлива на основе жидкого кислорода или

кислородных соединений. Содержание его в горючих может дости­ гать больших значений и лимитируется взрывчатостью раствора

в рабочем интервале температуры (взрывные свойства не обнару­

живаются до 5% тетранитрометана в керосине и до 60% — в бен­ золе и этиловом спирте).

Основным преимуществом гидроперекиси водорода является ее низкая температура горения, а хлорной кислоты — большой удель­ ный вес и значительная активность в реакциях (задержка воспла­ менения в 10 раз меньше, чем при азотной кислоте). Однако кон­ центрированная перекись водорода имеет высокую температуру за­ мерзания (—9,4° С при 90%-ной концентрации по весу), а хлорная кислота концентрации свыше 72% легко взрывается.

Введение в азотную кислоту пятиокиси азота (N2O5) в количе­ стве до 30% понижает ее температуру застывания и увеличивает удельный вес раствора, однако при этом значительно снижается

температура кипения. Кроме того, раствор 20—30%-ной весовой

концентрации пятиокиси в азотной кислоте недостаточно стабилен при длительном хранении, если температура окружающей среды выше нуля.

Растворы хлорной кислоты в азотной также увеличивают удель­ ный вес, активность такого сложного окислителя и теплотворность топлив на его основе, но эти растворы еще недостаточно изучены.

при этой концентрации температуру кристаллизации —40° С.

Применению жидкого кислорода способствуют его относитель­ ная доступность и дешевизна. В жидком виде он составляет не ме­ нее 99% по объему от общей массы. В жидком кислороде не до­ пускаются механические примеси, ацетилен, вода, масло и т. п.;

содержание углекислоты в 1 л жидкого кислорода не должно пре­

вышать 8 см3.

Из окислителей, не содержащих фтор, наиболее эффективным является озон в чистом виде и в качестве присадки его к жидкому

кислороду, но практически применение его из-за неустойчивости и взрывоопасности пока затруднено. Очевидно, добавка к жидкому

кислороду озона меньше 20% по весу не дает существенного уве­ личения эффективности такого раствора.

Основным преимуществом фтора перед кислородом являются его большая активность в реакциях окисления и значительная ле­ тучесть фторидов. Но агрессивность фтора пока затрудняет его

использование в качестве окислителя горючих ЖРД.

Большой интерес представляет использование окиси и перекиси фтора, температура кипения которых выше и удельная тяга боль­ ше, чем топлива на основе жидкого кислорода. С одинаковым го­ рючим эти окислители имеют почти ту же эффективность. Фтор и фториды кислорода, видимо, являются наиболее эффективными из рассматриваемых нами окислителей. Фтор стабильнее озона.

’ На основании изложенного выше, можно сделать следующее заключение.

1.По ряду качеств в настоящее время наиболее подходящими для ЖРД являются окислители: азотная кислота, жидкий кисло­ род, окись фтора и фтор.

2.Перекись водорода может применяться в виде высококонцен­ трированных водных или иных растворов, если они будут стабили­ зированы, доступны и дешевы.

3.Тетранитрометан, обладающий многими эксплуатационными

качествами (большим удельным весом, повышенной теплотвор­

198 Гл. 5< Характеристики топлив ЖРД

скорость же равновесного истечения при степени расширения в соп­

ле 100 : 1 может быть порядка 15 000 м)сек.

Разложить молекулярный водород или азот на атомы можно- в высокотемпературном электрическом поле с последующим быст­ рым замораживанием их до температуры, близкой к абсолютному

нулю (5—30° К), до начала рекомбинации, так как в незаморожен­

ном состоянии атомарные газы могут существовать меньше тысяч­ ных долей секунды. Полученные таким образом свободные радика­ лы могут сохраняться до нескольких часов. Вообще же разработка надежных методов стабилизации свободных радикалов требует еще многих исследований.

Для практического использования свободных радикалов в ЖРД требуется концентрация их не менее 10%.

Возможность получения и хранения свободных радикалов в ши­

роких масштабах пока еще проблематична вследствие их чрезвы­ чайной дороговизны и опасности работы с ними.

Вероятно, свободные радикалы невозможно использовать в ка­ честве топлива до тех пор, пока не будут найдены пути их стабили­ зации, исключающие применение черзвычайно низких температур и

очень низких давлений, при которых их можно получить. Трудность использования свободных радикалов в ЖРД состоит еще и в под­ боре материалов для камеры, способных выдерживать огромные температуры их рекомбинации.

§ 13. Способы повышения качества топлив ЖРД

Эксплуатационные качества компонентов топлива можно улуч­ шить путем:

1)понижения температуры плавления легко затвердевающих компонентов топлива добавлением к ним других веществ;

2)химической очистки компонентов топлива от нежелательных

примесей;

3)стабилизации нестойких компонентов топлива от их разло­

жения или самовоспламенения при соприкосновении с атмосфер­ ным воздухом;

4)активизации компонентов топлива введением в них специаль­

ных катализаторов (веществ) воспламенения и процесса горения;

5)ингибирования компонентов топлива с целью снижения их

коррозионной агрессивности к металлам двигателя;

6)введения суспензий металлов и растворов высокоэффектив­ ных примесей с целью повышения удельного веса и удельной тяги;

7)переохлаждения компонентов топлива перед заправкой в топ­ ливные баки с целью повышения их удельного веса, а следователь­ но, более плотного заполнения баков компонентами топлива и др.

Подавляющее число самовоспламеняющихся компонентов топ­ лива характеризуется значительной задержкой воспламенения как окислителя, так и горючего.

Примерами активизации окислителей являются:

1)растворы в азотной кислоте четырехокиси азота до 30—35% по весу и пятиокиси азота;

2)растворы в азотной кислоте до 25% хлорной кислоты

70%-ной концентрации по весу;

3) раствор в азотной кислоте до 4% хлорного железа (FeCl3), вследствие чего также понижается температура плавления окисли­ теля (с 42° С азотной кислоты до 50° С образованного раствора

окислителя);

4)раствор в азотной кислоте фтористого водорода (HF), что снижает коррозию сплавов алюминия и нержавеющих сталей;

5)раствор в азотной кислоте до 10—50% серной кислоты (H2SO4), что уменьшает задержку воспламенения горючего и одно­

временно снижает агрессивность окислителя к металлам двигателя; 6) раствор в азотной кислоте около 0,5% по весу марганцово­ кислого калия (КМПО4); такое облагораживание азотной кислоты

нужно производить перед подачей ее в камеру сгорания, так как через 2—3 мин. активность ее снижается (по этой причине требует­ ся установка на аппарате специального прибора активизатора).

В число катализаторов процессов горения, добавляемых к ком­ понентам топлива, также могут входить малотеплотворные элемен­ ты, например железо, медь, кадмий, натрий и др.

Охлаждая высококипящие и низкокипящие окислители и горю­ чие до температуры, при которой они еще сохраняют жидкое состоя­ ние и допустимую вязкость, можно существенно повысить их удель­

ный вес. В случае низкокипящих компонентов, кроме того, можно резко снизить потери дорогостоящих компонентов топлива вслед­ ствие испарения, а также улучшить безопасность их эксплуатации.

§ 14. Выбор компонентов топлива для проектируемого двигателя

Рациональный выбор компонентов топлива для проектируемого ЖРД является весьма важным этапом его создания. Вид топлива,

как уже отмечено выше, обусловливает тип двигателя, его конструк­ цию, экономичность и надежность работы. Во всех случаях топливо необходимо выбирать применительно к конкретным условиям ис­ пользования двигателя.

При выборе компонентов топлива для проектируемого двигате­ ля в первую очередь необходимо учитывать следующие факторы.

Назначение боевого аппарата

Условия эксплуатации двигателя и реактивных снарядов тре­

буют от топлив физической и химической стойкости (что позволит хранить компоненты топлива продолжительное время без особыхпредосторожностей), высокой температуры кипения и низкой тем­ пературы застывания. Топливо не должно быть ядовитым и не дол­