книги / Смесевые ракетные твёрдые топлива компоненты, требования, свойства

3. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ СРТТ

Важной эксплуатационной характеристикой ракеты является скорость ее полета. Согласно формуле Циолковского

V - скорость движения ракеты,

Wa - скорость истечения продуктов сгорания топлива на срезе сопла ракетного двигателя (РД),

сомасса заряда топлива,

q - масса конструкции, то есть пассивная масса РД.

Для случая истечения из сопла газов постоянного состава, что харак­ терно для РД (рисунок 3), скорость истечения вычисляется по формуле:

g - ускорение силы тяжести (9.81 м/с2)

удельных теплоемкостей газов при постоянном давлении и объеме), R - газовая постоянная смеси газов, кДж/мольГрад,

Тк-температура продуктов сгорания в камере РД, градусы Кельвина (К), Рк - давление в камере РД, МПа, кгс/см2, Р„ - давление на срезе сопла, МПа, кгс/см2.

Для большинства РД: Рк = 20-100 кгс/см2 ( в основном)

Рисунок 3 - Схема РД

21

Величина газовой постоянной для смеси газов определяется соотноше-

%«г •” С

ского входят две величины, определяющие скорость полета ракеты, а соот­ ветственно и дальность, связанные с топливом, а именно: единичный им­ пульс I] и масса заряда со.

Из выражений для I] и Wa следует, что 1| зависит, в основном, от тем­ пературы продуктов сгорания, от газовой постоянной смеси продуктов сго­ рания, которая при прочих равных условиях определяется средней молеку­ лярной массой продуктов сгорания (р*р), а также от термодинамических параметров продуктов сгорания, т.е. от показателя адиабаты.

На 1| влияют и конструктивные параметры двигателя, определяющие уровень давления в камере и на срезе сопла.

Все перечисленные факторы, влияющие на 1| (кроме последнего), зави­ сят от состава топлива и термодинамических свойств составляющих его компонентов. Вторая величина - масса топлива - со также зависит от соста­ ва топлива и свойств компонентов и, в частности, от их плотности. Чем она выше, тем больше масса заряда, размещаемого в данном объеме двигателя.

22

В соответствии с уравнением Циолковского можно констатировать, что, чем выше единичный импульс и плотность топлива, тем оно эффективнее. По­ этому разработка высокоимпульсных, высокоплотных топлив всегда рас­ сматривалась как наиболее актуальная и перспективная задача исследовате­ лей, работающих в этой области.

При разработке ракеты проводится тактико-технико-экономически обоснованный выбор наиболее эффективных конструкций ракетного двига­ теля и топлива. При сравнительной оценке РДТТ одного класса, но различ­ ных конструкций, основным критерием совершенства РД является коэффи­

сок.д. - масса конструкции ДУ; а>г~ масса топлива; рт - плотность топлива;

WTобъем топлива.

Чем меньше а, тем совершеннее конструкция РД, тем большую ско­ рость может достичь ракета при заданной скорости истечения продуктов сгорания W:i. Топливники могут влиять на а через массовую долю топлива, размещаемого в объеме данного двигателя, которая зависит от плотности топлива и от оптимальной конструкции заряда, которая, в свою очередь, зависит от деформационно-прочностных свойств топлива и скорости его горения. Желательно, чтобы плотность топлива была как можно более вы­ сокой, поскольку с повышением плотности увеличивается масса заряда. Если же масса заряда задана постоянной, то и в этом случае с повышением плотности топлива уменьшается объем заряда данной массы и для его раз­ мещения требуется двигатель меньшего объема, а значит и меньшего пас­ сивного веса, что также повышает эффективность ракеты. Плотность топли­ ва зависит от плотности составляющих его компонентов и их соотношения, так как свойство это практически является аддитивной величиной. Следо­ вательно, при выборе компонентов, при прочих равных условиях нужно ориентироваться на применение компонентов с наиболее высокой плотно­ стью. Оценка роли плотности в эффективности ракеты показывает, что большее значение она имеет для ракет, работающих в атмосферных услови­ ях: первые ступени многоступенчатых ракет, стартовые ускорители и т.п. По мере повышения высотности работы двигателя, в условиях космоса (верхние ступени многоступенчатых ракет) решающую роль играет единич­ ный импульс топлива, а влияние его плотности существенно уменьшается; то есть производная дальности по плотности уменьшается, а производная дальности по импульсу увеличивается.

23

При выборе топлива основным параметром его эффективности, с точки зрения приращения количества движения ракеты, является единичный им­ пульс. Обычно эта энергетическая характеристика приводится при опреде­ ленных условиях работы заряда, так как I] зависит от давления. В качестве

Из формулы Циолковского следует, что чем выше I], тем больше ско­ рость, а, следовательно, и дальность полета ракеты. Поэтому при выборе топлив, при прочих равных условиях, следует ориентироваться на высоко­ импульсные топлива. Поскольку роль плотности по мере увеличения разме­ ров ракеты и высотности ее работы уменьшается, а роль единичного им­ пульса возрастает, то на практике при выборе топлива или его разработке находят некоторое оптимальное соотношение между этими величинами для каждой ступени, обеспечивающее максимальную эффективность ракеты. В общем виде зависимость между дальностью полета ракеты и единичным импульсом качественно иллюстрируется кривой на рисунке 4.

L ,K M

Рисунок 4 —Зависимость дальности полета ракеты от единичного импульса

Конкретные количественные данные для некоторой неоптимальной ра­ кеты приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Зависимость дальности полета ракеты от единичного импульса для неоптимальной ракеты

24

Помимо уравнения для 1Ь приведенного выше, есть ряд других уравне­ ний, применяемых для приближенной оценки единичного импульса топлив:

1,= 9 .3 3 -/Н0 -Н;

ДН - перепад энтальпий, характеризующий разность теплот реакций системы в условиях камеры сгорания и выходного сечения сопла;

jic,, - средняя молекулярная масса продуктов сгорания.

Рассмотрение всех этих уравнений показывает, что главными фактора­ ми, влияющими на уровень 1Ь являются: средняя молекулярная масса про­ дуктов горения, теплота образования топлива, определяющая перепад эн­ тальпий, температура горения. Через эти факторы разработчики топлив мо­ гут регулировать уровень 1[ и оптимизировать составы топлив. В свою оче­ редь, все эти факторы зависят от теплоты образования топлив и их химиче­ ского состава, от кислородного баланса системы, от наличия в составе вы­ сокотеплотворных компонентов, например, металлических горючих, от дав­ ления в камере и на срезе сопла и других.

Химический состав топлива влияет на 1>, главным образом, через со­ став и молекулярную массу продуктов сгорания в камере. Известно, что различные газообразные молекулы при одинаковом изменении температуры дают неодинаковую величину перепада энтальпий в зависимости от моле­ кулярной массы. Чем меньше молекулярная масса газов, тем больше пере­ пад теплосодержаний они дают в условиях соплового аппарата. Эта зависи­ мость объясняется следующим. Энергия молекулы слагается из энергий поступательного движения, вращательного движения, энергии внутренних колебаний и энергии возбуждения электронов. Работоспособность газовых молекул (перепад энтальпий) в условиях РД зависит, прежде всего, от энер­ гии поступательного движения молекул. Средняя энергия поступательного

Нср

ступательного движения единицы массы этого газа, а значит больше и из­ менение теплосодержания в сопловом аппарате и соответственно выше единичный импульс.

Таким образом, наиболее выгодны с точки зрения энергетических свойств компоненты и, следовательно, топлива, в которые они входят, обра­ зующие при горении газы с низкой молекулярной массой. Молекулы мень­ шей массы легче разгоняются, обеспечивая высокую скорость истечения из

25

сопла, высокое тепловыделение и, как следствие, высокий единичный им­

Необходимо, однако, отметить, что высокое тепловыделение сопрово­ ждается повышением температуры горения, что не всегда выгодно. Повы­ шение температуры приводит к большей завершенности процесса горения с образованием продуктов полного окисления (С02, Н20 и др.), молекулярная масса которых выше, чем продуктов неполного окисления (СО, НО, Н2 и др.), для которых выше и газовая постоянная смеси (см. таблицу 2).

Таким образом, имеет место два конкурирующих фактора: повышение I] за счет повышения температуры, но понижение 1| за счет большей моле­ кулярной массы продуктов сгорания.

Кроме того, повышение температуры горения требует увеличения теп­ лозащитного покрытия, утолщения теплонапряженных элементов ДУ, что приводит к увеличению пассивного веса двигателя, то есть к ухудшению коэффициента его весового качества и, следовательно, к снижению эффек­ тивности ракеты в целом.

Таким образом, для достижения наибольшего эффекта необходимо на­ хождение оптимального соотношения между температурой горения топлива в камере и молекулярной массой продуктов горения, что регулируется вы­ бором компонентов и коэффициента избытка кислорода (окислительного элемента).

Таблица 2 - Значения молекулярной массы и газовой постоянной для продуктов сгорания топлив

Энтальпия образования топлива также является определяющей в уров­ не единичного импульса. Чем больше энтальпия образования топлива, тем больше его энтальпия в камере и значит больше перепад энтальпий между камерой и срезом сопла, то есть тем больше единичный импульс.

26

Энтальпия образования топлива является величиной аддитивной эн­ тальпии образования составляющих его компонентов. То есть, чем выше энтальпия образования компонентов, тем выше энтальпия образования топ­ лива. Это позволяет выбирать энергетически наиболее выгодные компонен­ ты из числа потенциально возможных. В связи с такой значимостью энталь­ пии образования, одним из главных требований к компонентам является требование высокой энтальпии образования. Это требование относится ко всем компонентам, но особое значение оно имеет для связующего и окисли­ теля, содержание которых в топливе составляет от 10 % до 30 % (связую­ щее) и до 70 % (окислитель). Влияние энтальпии образования окислителя на единичный импульс можно видеть на примере топлива на основе бутилкаучука, содержащего 10 % алюминия и различные окислители (см. таблицу 3).

Таблица 3 - Влияние энтальпии образования окислителя на единичный импульс

чески очень важно. Например, повышение 1| топлива, применяемого на III ступени межконтинентальной ракеты, на 1 единицу дает приращение даль­ ности полета на 80 - 100 км, то есть в рассматриваемом случае замена топ­ лива на нитрате аммония на топливо с гексанитроэтаном обеспечивает уве­ личение дальности на 4000 - 5000 км. В связи с таким влиянием на Ih эн­ тальпия образования определяется для всех компонентов расчетным или экспериментальным путем. При наличии вещества энтальпию образования определяют экспериментально по теплоте и составу продуктов сгорания.

27

Если вещества нет, а эффективность его необходимо оценить до выполне­ ния работ по его синтезу, то энтальпию образования можно достаточно точ­ но рассчитать по энергиям связей, вид которых определяется структурой соединения. Разработаны приближенные методы оценки энергии связей, например, метод Караша и более точные, разработанные, в частности, в Ин­ ституте химической физики АН СССР под руководством Ю.А. Лебедева, которые учитывают не только энергию индивидуальной связи, но и воз­ можное влияние на нее соседних атомов. Если раньше энергия связи С - Н бралась одна и та же, независимо от строения молекулы, то теперь учитыва­ ется, что она может иметь разное значение в соединениях различного строения:

Такой подход позволяет получить более точные величины энтальпий образования и, следовательно, более точно определить вклад данного со­ единения в единичный импульс топлива.

Влияние кислородного баланса топлива на единичный импульс заклю­ чается в том, что в зависимости от соотношения окислительного и горючих элементов можно получить коэффициент обеспеченности окислительными элементами oto > 1, oto = 1 и oto < 1.

Коэффициент обеспеченности окислительными элементами - это от­ ношение действительного содержания окислительных элементов к их коли­ честву, необходимому для полного окисления всех горючих элементов топ­ лива.

На первых этапах разработки СРТТ стремились компоновать системы с ос©= 1, считая, что полное окисление обеспечит полное тепловыделение, максимально возможную для этой системы температуру и, следовательно, максимальный единичный импульс. Однако при oto > 1 и oto = 1 образуются продукты полного окисления, то есть высокой молекулярной массы, что приводит к снижению единичного импульса. В результате конкурирующего действия этих двух факторов (Тки р^) на единичный импульс максимальное его значение достигается при некотором определенном соотношении между горючими и окислительными элементами, которому отвечает а < 1. Для современных СРТТ oto = 0.5 0.6.

Существенное значение для реализации ожидаемого энергетического эффекта имеет стабильность продуктов горения. Высокая эффективность топлива будет достигнута в том случае, если основные продукты его сгора­ ния термически стабильны в условиях камеры сгорания и выходного сече-

28

ния сопла. Если же выделяющаяся при сгорании тепловая энергия будет расходоваться на процессы диссоциации, рекомбинации основных продук­ тов, то ожидаемый энергетический эффект не будет получен, так как упо­ мянутые процессы относятся к эндотермическим. Возможность потерь 1| за счет нестабильности продуктов горения реально имеет место. Например, AI2O3 стабилен в условиях камеры и выходного сечения сопла до 4000 К. Оксид углерода - СО один из основных продуктов исключительно стабилен и не диссоциирует при обычно принятых давлениях в двигателе вплоть до 5000К, но его содержание уменьшается за счет реакции

2СО(Г) ----->С02 (г) + С (ТВ), происходящей при высоких давлениях при Тк ниже 2000 К, а при дав­

лении на срезе сопла 1кгс/см2 он диссоциирует и при 1500 К. При некото­ рых реальных условиях по давлению и температуре, начиная с 2000 К, С02 диссоциирует на СО и О.

Влияние металлического горючего на величину единичного импульса положительно. Увеличение единичного импульса обусловлено двумя фак­ торами: высоким тепловым эффектом образования оксидов металлов и улучшением состава газообразных продуктов горения. Последнее связано с тем, что при горении имеет место раскисление продуктов полного окисле­ ния и образование продуктов с меньшей молекулярной массой, например:

зы в виде твердых частиц А120з приводит к уменьшению объема рабочего тела (газа) и к потерям единичного импульса за счет так называемой двухфазности, гетерогенности потока продуктов сгорания, вытекающих из со­ пла. Наличие газообразной и твердой фаз в продуктах сгорания приводит к нарушению скоростного равновесия в потоке, к торможению потока за счет меньшей скорости движения твердых частиц А120 3, то есть к уменьшению скорости истечения и, как следствие, к снижению единичного импульса.

Приближенный анализ показывает, что средняя скорость двухфазного потока уменьшается и, следовательно, увеличиваются потери единичного импульса следующим образом:

а) при увеличении размеров частиц оксида - пропорционально квадрату их диаметра;

б) при увеличении массовой доли конденсированной фазы - линейно. Эти положения и предопределяют пути снижения отрицательного эф­

фекта торможения потока. Потери единичного импульса на двухфазность могут достигать 3 - 10 %, что весьма существенно. Для снижения потерь необходимо, чтобы размер частиц А120з или другого оксида не превышал 1 мкм, против 5 - 6 мкм, получаемых фактически. Для достижения этого ис­ пользовались следующие направления:

29

•применение порошка алюминия с возможно меньшим исходным размером частиц;

•покрытие исходного порошка термостойкой полимерной пленкой или тонким слоем тугоплавких металлов, например никеля, кобальта галь­ ваническим осаждением или механическим наклепом.

Первый путь не привел к снижению потерь единичного импульса. Дело

втом, что процессу горения алюминия предшествует его плавление, поэто­ му независимо от размера частиц исходного порошка (5 или 40 мкм) на по­ верхности горения образуется расплав алюминия, и величина горящих час­ тиц и соответствующих частиц оксида будет зависеть от характера распыла этого расплава потоком газообразных продуктов, оттекающих от горящей поверхности.

Рисунок 5 - Влияние термостойких покрытий на горение алюминия

Применение термостойких покрытий приводит к некоторому сниже­ нию потерь (рисунок 5). В этом случае покрытие предотвращает плавление на горящей поверхности. Частицы выносятся на некоторое расстояние от поверхности, «взрываются» под действием температурных напряжений на несколько более мелких частиц металла (алюминия), горение которых при­ водит соответственно, к образованию более мелких частиц оксида. Сниже­ ние потерь единичного импульса таким способом имеет место в малогаба­ ритных двигателях с малыми временами работы. В случае же крупногаба­ ритных двигателей, когда время пребывания и длина пробега частиц доста­ точно большие, эффект снижения потерь практически не проявляется. Можно говорить о некоторой тенденции к снижению, не имеющей практи­ ческого значения. Это обусловлено тем, что в условиях двигателя с боль­ шим временем работы происходит укрупнение, слипание частиц оксида в процессе движения и истечения, приводящее к торможению потока и, как следствие, к обычному уровню потерь.

Снижение потерь единичного импульса за счет уменьшения массовой доли конденсированной фазы реализуется путем оптимизации содержания алюминия в топливе. Согласно термодинамическим расчетам 1| растет с увеличением содержания алюминия (теоретическая кривая, рисунок 6). Од­ нако на практике, начиная с содержания алюминия 18 - 21 %, имеет место снижение 1(. Это обусловлено ростом торможения потока за счет двухфазности и недостатком окислителя для обеспечения полноты сгорания алю­ миния.

30