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

ствить саморазвивающуюся цепную реакцию деления ядер, что мо­ жет поддерживаться только в реакторе.

Ядерные реакторы принято делить по скорости нейтронов, вызы­ вающих деления, на типы:

1)работающие на медленных нейтронах (если большая часть

делений происходит при захвате медленных нейтронов) и

2)работающие на быстрых нейтронах (если деления вызыва­

ются быстрыми нейтронами).

Минимальная скорость нейтронов, которая может быть достиг­ нута в результате замедления, равна скорости их теплового движе-

Фиг. 5. 16. Принципиальные схемы ядерных ре­ акторов.

а—гетерогенный реактор: твердое горючее и замед­ литель, циркулирует охладитель, /—отражатель, За­ урановые стержни в трубах, 3—твердый замедли­ тель, 4—теплоноситель (газ или жидкость), б—гете­ рогенный реактор: твердое горючее, циркулирует за­ медлитель, являющийся одновременно теплоносите­ лем, 5—отражатель, 6—урановые стержни в чехлах. 7—жидкий замедлитель, в—гетерогенный реактор: твердый замедлитель, циркулирует жидкое ядерное горючее, 5-—отражатель, 9—твердый замедлитель, 10— жидкое горючее (раствор или жидкий сплав), одно­ временно являющееся источником тепла и теплоно­ сителем, г—гомогенный реактор: циркулирует жидкая смесь горючего и замедлителя. 11—отражатель, 12— жидкая смесь урана и замедлителя, которая одно­ временно является источником тепла и теплоноси­

телем, д—гомогенный реактор: твердая (или жидкая) смесь урана и замедлителя, циркулирует

теплоноситель, 13—отражатель, 14—твердая или жидкая смесь урана и замедлителя. 15—теплоноситель (газ или жидкость).

ния, устанавливающейся при тепловом равновесии со средой. По­ этому реактор на медленных нейтронах также называют реактором на тепловых нейтронах.

Ядерный реактор с использованием урана можно осуществить только на медленных нейтронах, так как только в этом случае ве­ роятность деления изотопа урана-235 так велика, что может пере­ крыть вероятность всех других процессов. С увеличением содержа­ ния изотопа урана-235 в уране возможно осуществление и реакто­

1)активная зона, т. е. зона, в которой расположены уран и за­ медлитель нейтронов; для замедления нейтронов можно использо­

вать графит, тяжелую воду (вода, в которой легкий водород заме­

щен тяжелым водородом) или окись бериллия, а в случае обога­ щенного урана — также и воду;

2)отражатель, т. е. устройство, отражающее нейтроны, обрат­

но вылетающие из активной зоны; для отражателя применяются

те же материалы, что и для замедлителя;

212 Гл. 5. Характеристики топлив ЖРД

сечением захвата нейтронов. Замедляющая способность вещества равна произведению микроскопического сечения рассеивания ней­

тронов на величину, пропорциональную потере энергии при одном

акте деления.

Для отражателей применяются такие же материалы, как и для замедлителя, а также тяжелые вещества, имеющие большое сече­ ние рассеивания и малое сечение захвата нейтронов.

Защитный экран, окружающий реактор, служит для следующих целей:

1)замедления быстрых нейтронов, проникающих из активной

зоны реактора через различные щели и неплотности в замедлителе

иотражателе;

2)поглощения медленных нейтронов, вылетающих из внешнего слоя отражателя;

3)ослабления гамма-излучения.

Для эффективного замедления быстрых нейтронов экран дол­ жен содержать элементы с высоким атомным номером. Нейтроны геряют свою энергию вследствие неупругих столкновений с ядрами этих элементов. Более всего для этих целей подходят железо и ба­ рий. Так как процесс неупругого рассеивания сопровождается испу­ сканием гамма-излучения, эти материалы должны быть сосредото­

чены главным образом на внутренней поверхности защиты экрана. От металлов, используемых для изготовления чехлов для ура­

новых блоков, трубопроводов для теплоносителя, трубопроводов и контейнеров для жидкого ядерного горючего и опорных конструк­ ций, требуется механическая прочность. Общие требования к кон­

струкционным материалам состоят в сохранении механической

прочности при их облучении и при воздействии высокой температу­ ры, стойкости против коррозии и малом поглощении нейтронов.

При выборе металла для чехлов урановых блоков дополнитель­ ным требованием является его большая теплопроводность, обеспе­ чивающая малый перепад температур между блоком и теплоноси­ телем. Применение разных металлов здесь недопустимо вследствие возникновения электродвижущей силы,, приводящей к усиленной

электрохимической эрозии.

Нержавеющие стали являются превосходным коррозионностой­ ким материалом. Они пригодны для изготовления труб жидкоме­ таллических систем теплообмена, труб и контейнеров для реакто­ ров на водных и металлических растворах урана. Основа нержаве­ ющей стали—железо и легирующие элементы активируются под действием нейтронов и дают долгоживущие изотопы, испускающие гамма-излучение высокой энергии. Следует иметь в виду, что не­ которые детали системы при нагревании подвергаются не только термическим напряжениям, но и тепловой ползучести.

Скорость ядерной реакции экспоненциально возрастает с тем­

пературой, и при недостаточно надежной работе системы регули­ рования процесс может затухнуть или, наоборот, перейти в разру­

шительный взрыв. Работа системы охлаждения двигателя должна быть четко увязана с системой регулирования температуры про­ цесса реакции, так как изменение величины теплоотвода от реак­ тора будет оказывать влияние на скорость реакции, и если тепло­

выделение будет превышать теплоотвод, то процесс может перейти во взрыв.

Если в реактивном двигателе, использующем химическую энер­ гию топлива, нарушение работы системы охлаждения обычно ведет к прогару камеры, почти не вызывая при этом повышения температуры продуктов реакции в дамере, то в атомном двигателе нарушение системы охлаждения реактора вызовет повышение тем­ пературы в реакторе, сопровождаемое взрывом. Если обычные

ЖРД опасны в эксплуатации в связи с некоторой вероятностью

взрыва их при запуске и работе, то атомные двигатели, отличаю­ щиеся еще большей концентрацией энергии в единице объема, усложненной регулированием процесса, протекающего при относи­ тельно высоких температурах, оказываются несравненно более взрывоопасными.

В осуществленных и проектируемых атомных реакторах регу­ лирование, контроль, сигнализация и аварийная остановка реак­ тора производятся по интенсивности нейтронного потока в реакто­ ре. Для этого используются ионизационные камеры, служащие датчиками интенсивности нейтронного потока. Режимом работы двигателя можно будет управлять путем регулирования доступа рабочего вещества в реактор.

Проблема управления работой двигателя при помощи дозиро­ вания, по-видимому, лучше всего может быть решена при подаче делящегося материала в растворе, подобно тому, как это имеет

место в гомогенных реакторах. Такой раствор можно впрыскивать

вкамеру реактора по ее периметру, чтобы получить в центре каме­ ры концентрацию, достаточную для осуществления ядерной реак­ ции. Другим способом управления реакцией является, как уже отмечено выше, подача в камеру (реактор) твердых стержней из делящегося материала подобно автоматической подаче электродов

вэлектропечь.

Безопасность термоядерного двигателя может быть обеспечена за счет размещения запаса «топлива» вне реактора, благодаря

чему оно не сможет принимать участия в реакции до ввода его в реактор и нагрева до определенной температуры. Запуск ядерно-

го двигателя возможен местным возбуждением частиц, а не атом­ ным взрывом.

Первичным ядерным горючим является изотоп урана-235. Хотя

на-235 составляет всего 0,71%, во многих случаях полезно иметь уран с повышенным содержанием изотопа урана-235, а для мало­ габаритных реакторов — даже почти чистый уран-235. Поэтому для

214 Гл. 5:. Характеристики топлив ЖРД

успешного развития ядерной энергетики необходимо концентриро­ вать (обогащать) уран-235.

Главными источниками добычи урана являются богатые ураном минералы — уранит (урановая смоляная руда) и корнотит (ком­ плексное соединение урана и ванадия). Существует также большое число минералов с незначительным содержанием урана. Не исклю­ чена также возможность применения плутония и искусственного изотопа урана U233.

Уран может применяться в виде чистого металла, а также раствора металлического урана в каком-либо легкоплавком метал­ ле и раствора солей урана в тяжелой воде. Если в качестве ядер-

ного горючего применяется металлический уран, то большое зна­ чение имеет его механическая прочность. Реакторы на металличе­ ском уране должны рассчитываться на максимальную рабочую

температуру урана ниже 660° С (при температуре ниже 660° С уран существует в виде альфа-фазы, имеющей ромбическую кристалли­ ческую решетку с пределом прочности около 28 кг/мм2). При более высокой температуре уран становится мягким и непрочным, а при более низкой температуре прочность его падает из-за радиальных повреждений; урановые блоки и стержни под влиянием облучения нейтронами и осколками деления разбухают и искривляются.

В случае применения урана в виде раствора в другом легко­ плавком металле, например висмуте или свинце, или в виде, раство­ ра солей урана в воде вопрос о механической прочности урана отпадает. Однако в последнем случае радиационное повреждение

горючего заключается в разложении воды на водород и кислород. Если применяется тяжелая вода, нельзя допускать потери этого продукта ввиду его высокой стоимости.

Основная задача при проектировании атомного двигателя для снаряда состоит в максимальном снижении его размеров и веса. Хотя объемная плотность выделения энергии в активной зоне реак­ тора достигает 10—20 тыс. квт[м\ что примерно в 100 раз превы­ шает объемную плотность выделения энергии в обычных тепловых установках, все же окончательное соотношение по объему и весу

При этом создаются те же удельные тяги, что и в тепловом ядер-

216 Гл. 5. Характеристики топлив ЖРД

женных ионов истекающие из двигателя ионы нейтрализуются при помощи электронов, выделяющихся на катоде ионизирующей уста­ новки.

Для ионизации рабочей жидкости и ускорения плазмы можно также использовать электроэнергию, получаемую от гальваниче­ ских батарей или в результате преобразования солнечной энергии.

Трудности создания атомно-ионных ракетных двигателей свя­ заны со сложностью превращения атомной энергии в кинетическую энергию рабочей жидкости в виде плазмы ионов.

Огромным недостатком этих двигателей, как и отмеченных нами солнечных и электрических ионных двигателей, является то, что для создания ими значительной тяги требуется огромная за­ трата электрической энергии весьма высокого напряжения для раз­

гона ионизированных частиц рабочего тела до необходимой ско­ рости истечения. Подсчеты показывают, что для получения скоро­

сти истечения электрически заряженных частиц рабочего тела из сопла камеры двигателя порядка 100 км/сек необходима мощность установки в 500 Мгвт на 1 т тяги, т. е. на снаряде необходимо иметь силовую установку, по мощности соответствующую обычным теп­ ловым электростанциям, весом в несколько тысяч тонн.

По-видимому, атомная энергия может быть эффективно исполь­

низмы. Принципы непосредственного использования атомной энер­ гии в электрическую описаны в литературе.

В электроатомных ракетных двигателях весьма серьезной про­ блемой является удаление из ядерного реактора той части тепла, которая в силу несовершенства процесса не может быть переве­ дена в электрическую энергию.

Основными препятствиями на пути внедрения этих двигателей в авиацию и наземный транспорт являются большие габариты и вес экранирования двигателя, высокая стоимость атомного горю­ чего, сложность управления.

Глава 6

РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ В КАМЕРАХ ЖРД

Качественные и количественные данные о механизме рабочегопроцесса в камере сгорания и сопле ЖРД дают возможность обос­ нованно выбрать оптимальные параметры, форму и размеры ка­ меры и решить другие вопросы проектирования и построения дви­ гателя.

Расчет кинетики явлений, происходящих в камере сгорания и сопле, совместно с тепловым и иногда газодинамическими расче­ тами позволяют установить картину распределения температуры,

давления и скорости газового потока в характерных сечениях ка­ меры двигателя и вычислить его основные параметры (удельную

ЖРД, и дать им количественную оценку. При расчете процессов сгорания топлива в двигателе приходится задаваться (на основа­ нии пока весьма ограниченных данных статистики и эксперимен­

тов) значениями некоторых характеристик рабочего процесса, как,

например, коэффициентами избытка окислителя в топливе и физи­ ческой полноты сгорания, показателем политропы расширения га­

зов в сопле и др.

В настоящей главе рассмотрены основные факторы, влияющие на характер протекания рабочих процессов в камере ЖРД, приве­ дена методика определения основных параметров, характеризую­ щих качество этих процессов, и даны ориентировочные пределы их численных значений.

Одновременно приведены численные примерные расчеты по определению температуры и состава продуктов сгорания топлива в камере сгорания и в выходном сечении сопла двигателя и дру­ гих термодинамических параметров. Приведены также таблицы и графики, необходимые для расчетов процесса сгорания топ­

лива.

218 Гл. 6. Рабочие процессы в камерах ЖРД

§ 1. Процессы подготовки и сгорания топлива в камере

двигателя

Сгорание топлива в камере двигателя является чрезвычайно сложным физико-химическим процессом, состоящим из перекрываю­ щих друг друга процессов подготовки, воспламенения и сгорания топливной смеси. От совершенства этих процессов зависят характе­

ристики двигателя.

Кпроцессам подготовки топлива для сгорания относятся:

I)распыл компонентов топлива, подаваемых в камеру сгорания,

3) перемешивание между со-

Процесс испарения, скорость которого определяется парамет­ рами окружающей среды (температурой и давлением) и физико-

химическими характеристиками топлива, может быть завершен до

того, как капля попадет в зону высоких температур. Тогда горение будет происходить в среде, состоящей из мелких объемов пара го­ рючего и окислителя, перемешанных между собой. Если же до на­ чала горения капля не успеет испариться, то будет иметь место ге­ терогенная реакция на поверхности отдельных жидких частиц го­

рючего или окислителя в зависимости от того, какой из компонентов легче испаряется.

Процессы подогрева и испарения компонентов топлива, посту­ пивших в камеру сгорания, осуществляются за счет лучистой энер­ гии очага горения, тепла нагретых стенок камеры и конвективных обратных газовых токов к головке камеры сгорания вследствие не­ которого отдува от нее газовой среды струями впрыскиваемого топ­ лива (фиг. 6. 1).

Обратные токи газов всегда существуют в камере сгорания, осо­ бенно в области конусов и между конусами распыла компонентов,

а также вдоль стенок камеры, и играют большую роль в процессе сгорания топлива. Их интенсивность зависит от конструкции фор­ сунок и схемы расположения последних на головке камеры. Для заданной конструкции головки интенсивность обратных токов мо­ жет считаться постоянной, если отвлечься от неизбежных случай­ ных колебаний.

При движении жидких капель компонентов топлива в потоке го­ рячего газа происходят их подогрев и частичное испарение. Ско­ рость этого процесса возрастает с увеличением температурного пе­ репада между каплями и продуктами сгорания. Мелкие капли испа­ ряются быстрее крупных.

Можно предполагать, что в том сечении камеры сгорания, до

которого испаряется примерно 5—10% топлива, обратные токи уже полностью исчезают. Дальнейший подогрев и испарение капель обеспечиваются теплом за счет сгорания, идущего одновременно с испарением. При испарении и сгорании около 10—25% топлива средняя скорость газа становится равной средней скорости капель; в следующих сечениях камеры сгорания газ обгоняет капли. На по­ догрев и испарение жидких компонентов топлива требуется около

10—15% тепла, выделяемого при сгорании топлива.

В существующих двигателях компонент топлива, используемый для охлаждения камеры двигателя, получает от поверхности оболоч­

ки камеры около 10—25% тепла, потребного для его нагревания и

испарения; при давлении в камере сгорания 35—40 ата это тепло может достигать 50—60%.

К процессам, сгорания топливной смеси относятся взаимопере-

крывающиеся процессы кинетического и диффузионного сгорания топлива, в результате которых в конце камеры устанавливается хи­ мически и энергетически равновесное состояние получаемых при этом газов соответственно их давлению и температуре. По мере вы­ горания горючей смеси температура в камере повышается и к концу камеры сгорания достигает максимального значения. В жидкой

фазе не происходит сколько-нибудь значительной реакции между окислителем и горючим.

Скорость (время) протекания процесса сгорания топлива в ки­

нетической области не зависит от гидродинамических и диффузион­ ных факторов (от скорости потока, размеров и формы камеры сгорания, конструкции ее головки) и в основном обусловли­

вается:

1)свойствами компонентов топлива (энергией их активации);

2)температурой и давлением в камере сгорания,

3)концентрацией реагентов в зоне горения.

Скорость протекания процесса сгорания топлива в области тур­ булентной диффузии почти не зависит от кинетических факторов, если не считать слабой зависимости от температуры некоторых фи­ зических констант, и определяется в основном факторами гидроди­ намического характера, как то:

1)характером движения потока в камере сгорания (время сме­ шения компонентов топлива мало зависит от скорости движения потока);

2)распределением скоростей, концентрацией компонентов топ­ лива и температур в этом потоке;