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

200 Гл. 5. Характеристики топлив ЖРД

жно быть агрессивным по отношению к материалам двигателя.

Кроме того, топливо должно быть дешевым.

Для зенитных снарядов топливо должно предварительно заправ­ ляться в баки и храниться в них длительное время. Такие свойства компонентов топлива, как быстрая испаряемость, коррозионное

действие на металл баков, склонность к разложению и др., не по­ зволяют использовать ряд компонентов для указанных целей. Ис­ пользование в двигателях в качестве окислителя сжиженных газов вызывает замерзание клапанов, затвердевание уплотняющих рези­ новых манжет и резино-металлических деталей.

Сжиженные окислители успешно могут быть использованы в двигателях дальних снарядов, старт которых обычно производится из тыла, где имеется возможность перед стрельбой заправлять топ­ ливные баки быстро испаряющимися компонентами топлива.

В настоящее время для дальнобойных снарядов применяется

жидкий кислород, чему особенно способствует его относительная доступность и дешевизна.

Кислород можно производить на месте при помощи передвиж­ ных установок, в силу чего он дешевле других окислителей. В тща­ тельно изолированных танках он может храниться длительное вре­ мя, не создавая опасности самодетонации или значительного вы­ кипания. Он нетоксичен и не самовоспламеняется в присутствии органических веществ.

Однако низкая температура жидкого кислорода, как и при при­ менении других низкокипящих окислителей (фтора, окислов фтора,

трифторида азота, озона), накладывает некоторые ограничения на выбор материалов для двигателя в связи с явлением хладнолом­ кости. При температуре жидкого кислорода сопротивление удару

становится недопустимо низким для углеродистых и среднелегиро­ ванных сталей, для магния, цинка и их сплавов.

Практические возможности экономического

использования топлива в двигателе

Некоторые теплоэффективные топлива в настоящее время прак­ тически не применяются вследствие развиваемых ими в камере

сгорания двигателя весьма высоких температур, при которых не­

возможно целесообразно и надежно охладить двигатель. По этой причине пока широко не используется, например, керосин с жидким кислородом и другие комбинации горючих и окислителей.

В частности, использование фторных окислителей требует успеш­ ного решения труднейшей проблемы охлаждения камеры двигате­

ля при температуре продуктов сгорания около 4000—4500° К.

Пары компонентов топлива, отвечающие требованию экономич­ ности работы двигателя, в некоторых случаях могут оказаться не­ пригодными из-за несоответствия их каким-либо другим требова­ ниям, предъявляемым к топливу ЖРД.

Термодинамические характеристики различных топлив необхо­ димо сравнивать при одинаковых и вполне определенных условиях их сгорания в двигателе.

Динамика процесса горения данного топлива в двигателе

Одним из основных параметров, характеризующих ту или иную пару компонентов топлива, является экономичность работы двига­ теля на этих компонентах, обычно характеризуемая внутренним к. п. д. или удельной тягой.

Ряд соображений практического характера часто заставляет применить не те пары компонентов топлива, которые с чисто термо­

динамической точки зрения являются наилучшими, а только те из них, которые практически наиболее приемлемы.

Топливо должно обеспечивать возможность получения доста­ точно устойчивого процесса горения в камере без пульсаций дав­ ления продуктов сгорания, вызывающих иногда недопустимые ви­ брации двигателя.

Для обеспечения достаточно устойчивой работы двигателя и предупреждения сильно выраженного пульсационного режима го­

рения топлива в камере сгорания необходимы определенные усло­

вия, связанные, как правило, с усложнением и утяжелением кон­

струкции двигателя, особенно его системы топливоподачи. Это об­ стоятельство в ряде случаев вынуждает применять такие компонен­ ты топлива, которые обеспечивают устойчивость процесса сгорания в двигателе как при дросселировании, так и при форсировании его работы.

Требования, предъявляемые к топливу ЖРД

Компоненты топлива могут быть удачно выбраны и рационально

использованы только в том случае, если будут учтены присущие им характерные свойства, эксплуатационные и другие особенности.

Наибольшие трудности представляет выбор окислителя для го­ рючего, так как многие известные окислители мало активны в хи­ мических реакциях, неустойчивы, агрессивны к материалам двига­ теля, ядовиты и дороги.

Весьма важными факторами, определяющими эксплуатацион­ ную пригодность компонентов топлива, являются их температуры застывания, кипения и горения, теплоемкости, теплопроводности и

удельные веса. Весьма существенна возможность использования

одного или обоих компонентов топлива для охлаждения камеры, сгорания и сопла двигателя.

Топливо, обеспечивающее относительно небольшую удельную тя­

гу, но обладающее большим удельным весом, по суммарной харак­ теристике (эффективности полета снаряда) в некоторых случаях.

удельную тягу; оказавшееся наилучшим для снарядов одного так­ тического назначения, оно может быть совсем не пригодным для ■снаряда другого назначения.

Поэтому при оценке-топлива для снаряда мерилом служит не только скорость истечения, но и в первую очередь удельный вес или

объемная удельная тяга, представляющая собой произведение удельной тяги на удельный вес топлива.

■Фиг. 5. 13. Приближенные расчетные значения в тоннах (по данным снаряда А-4) тяги двигателя Ро, стартового веса снаряда Go и запа­ са топлива в баках GT для получения необходимой скорости полета

Удельный вес топлива ут влияет прежде всего на вес топливных баков, размеры и вес системы топливоподачи двигателя и, следова­

тельно, на скорость полета снаряда в конце активного участка УКОн.

Поэтому в каждом отдельном случае следует искать компромиссное решение в отношении скорости истечения газов из сопла камеры

двигателя (удельной тяги) и удельного веса топлива ут ; изве­ стно, что эта взаимосвязь изменяется в зависимости от рассматри­ ваемого диапазона VEoH.

При малых 14он (~1 км/сек) увеличение ут выгоднее, чем уве­

личение Этим и объясняется предпочтение, оказываемое азот­ ной кислоте как окислителю для ближнебойных и зенитных снаря­ дов. При больших 14он (~3 км/сек) увеличение скорости истечения

•с 2 до 3 км/сек во много раз эффективнее аналогичного увеличения удельного веса топлива (фиг. 5. 13). Поэтому исходной величиной

204 Гл. 5. Характеристики топлив ЖРД

при прочих равных условиях несколько снижаются, но общая стои­

мость выстрела оказывается относительно большой вследствие вы­ сокой стоимости топлива. Применение таких топлив пока рацио­ нально для второй и третьей ступеней снаряда, где высокая стои­ мость топлива вполне окупится уменьшением размеров, веса и стоимости последующих ступеней снаряда.

При соответствующих мерах предосторожности токсичность

эффективного компонента топлива не может служить препятствием для его использования. В условиях эксплуатации токсическое дей­ ствие окислителей и горючих в основном сказывается при вдыха­ нии их паров с воздухом и вначале проявляется в виде раздраже­ ния слизистых оболочек дыхательных путей. Показателем токсич­ ности этих веществ могут служить следующие предельно допуска­ емые в промышленности для длительного вдыхания концентрации

их ядовитых паров в воздухе в мг/л-.

Наибольшей токсичностью обладают моноокись фтора и озон;

они токсичнее фосгена и синильной кислоты, для которых предель­ но допустимые концентрации паров в воздухе составляют соответ­ ственно 0,0004 и 0,0003 мг/л. Весьма токсичными также являются

горючие пентаборан и нитробензол.

Опасные концентрации ядовитых паров в воздухе легко возни­ кают при эксплуатации низкокипящих окислителей, обладающих при нормальных условиях высокой летучестью и упругостью паров.

Меры предосторожности при обращении с соответствующими токсичными веществами всегда регламентируются специальными инструкциями.

вэксплуатации фторные окислители из-за большой агрессивности

итоксичности. Использование в ЖРД таких высокоэффективных компонентов топлива требует успешного решения ряда трудней­ ших вопросов по созданию надежной в эксплуатации конструкции двигателя. Особенно сложной является проблема охлаждения ка­ меры сгорания и сопла двигателя.

Переход на атомные источники энергии с целью увеличения удельной тяги ракетного двигателя связан с еще большими трудно­ стями и опасностью для обслуживающего персонала. Для безопас­ ного использования ядерной энергии необходимо применять соот­ ветствующие системы сигнализации и защитные средства. Однако использование атомной энергии в ракетных двигателях является

весьма перспективным.

Вэтом случае приходится иметь дело с огромным количеством энергии при весьма малой массе источника этой энергии. Можно приближенно считать, что при расщеплении атомов 1 кг урана-235

выделяется почти в 1 • 107 раз больше энергии, чем при сгорании 1 кг наиболее теплоэффективного химического топлива. При исполь­ зовании такого высококонцентрированного источника энергии в ра­ кетных двигателях практически можно получить скорость истече­

ния свыше 10 000 м/сек.

При использовании атомной энергии реактивная тяга может быть получена в результате:

1)непосредственного истечения из сопла реактора струи про­ дуктов расщепления атомов активного вещества (например, урана-235, плутония-239 и др.);

2)истечения из сопла реактора какого-либо газообразного ра­ бочего тела (водорода, гелия, аммиака и др.), нагреваемого тепло­ вой энергией, образующейся при расщеплении атомов активного вещества;

3)истечения под воздействием электрического поля электриче­ ски заряженных частиц — ионов какого-либо рабочего тела (цезия,

рубия и др.), получаемых за счет использования атомной энер­ гии.

Использование атомной энергии в виде непосредственного исте­ чения самих продуктов расщепления атомов (фотонов) для полу­ чения тяги в настоящее время нереально. Однако если бы удалось

1 Jet. Propulsion, v. 28, No. 4, 1958. Missiles and Rockets, v. 1, No. 1, 1956.

206 Гл. 5Л Характеристики топлив ЖРД

практически освоить этот метод использования атомной энергии, можно было бы получить удельную тягу двигателя, почти в 1000 раз большую, чем в обычном химическом ЖРД, так как согласно за-

возможно меньшим и чтобы оно нагревалось в реакторе до возмож­ но высокой температуры.

Температура нагревания рабочего тела в реакторе и, следова­ тельно, скорость истечения будут зависеть от того, какое количе­

ство атомного горючего расходуется на нагревание единицы веса рабочего тела при определенном к. п. д. (табл. 5.22).

Таблица 5.22

Расчетные теоретические скорости истечения газа из сопла реактора атомного двигателя в зависимости от отношения атомного горючего (плутония-239) к массе рабочего тела при к. п. д. использования энергии, равном 50%

Данные этой таблицы показывают, что скорость истечения ра­ бочего тела из сопла реактора увеличивается пропорционально расходу атомного горючего на нагревание единицы этого тела до определенной температуры.

Так как атомное горючее имеет высокую стоимость, было бы целесообразным получить в тепловых атомных ракетных двигате­ лях максимально возможную скорость истечения из сопла реак­ тора.

Однако практически лимитирующим фактором в повышении скорости истечения является развиваемая в реакторе температура рабочего тела. При нагревании рабочего тела в гетерогенных ядерных реакторах температура его не может превышать температуры плавления твердого активного вещества, используемого в качестве источника атомной энергии, и безопасно допустимой температуры

оболочки реактора.

Наивысший предел температуры плавления для урана лежит около 1130° С, а безопасно допустимая температура для самых лучших освоенных в настоящее время материалов, из которых мож­ но изготовить внутреннюю оболочку реактора, не превышает

1000—1100° С. Практически же максимально допустимая темпера­ тура для урана в условиях работы гетерогенного реактора лежит значительно ниже указанной температуры плавления. Современные

стационарные промышленные гетерогенные урановые реакторы ра­ ботают при температурах порядка сотен градусов Цельсия.

Это обстоятельство указывает на то, что к. п. д. расходуемой атомной энергии урана при помощи гетерогенных реакторов весь­ ма низок. Если предположить, что в будущем удастся повысить