ИХТ / КНИГИ / Цуцуран - Военно-технический анализ состояния и перспективы развития ракетных топлив - 1999

МИНИСТЕРСТВО ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

В.И. ЦУЦУРАН, Н.В. ПЕТРУХИН, С.А. ГУСЕВ

Посвящается 40-летию РВСН

ВОЕННО-ТЕХНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ

Утверждено в качестве учебника

МОСКВА 1999

1

УДК (662.62 + 662.75): 621.453 Цуцуран В. И., Петрухин Н. В., Гусев С. А. Военно-технический анализ

состояния и перспективы развития ракетных топлив: Учеб. - М.: МО РФ, 1999. - 332 С.

В учебнике рассмотрены жидкие и твердые ракетные топлива как химические источники энергии и рабочего тела ракетных двигателей. Приведены их классификация, принципиальные и типовые составы, обоснованы общие и специальные требования в соответствии с назначением и агрегатным состоянием. Изложены основные свойства отдельных компонентов и современных топливных композиций, применяемых в ракетной технике.

Книга написана по материалам открытой печати и исследований авторов. Учебник предназначен для слушателей и курсантов старших курсов, специализирующихся в области разработки, контроля качества, испытаний и эксплуатации ракетной техники (вооружения). Будет полезен для студентов технических вузов соответствующего профиля.

Ил. 113, табл. 36, библ. 38 назв.

Министерство обороны РФ, 1999

2

3

итвердые топлива имеют много общего, особенно в теоретической оценке

4

двух разных по агрегатному состоянию топлив и, во-вторых, служит на пользу краткости изложения.

Книга включает три главы, в которых рассмотрены в основном вопросы, необходимые для изучения и понимания ракетных топлив как химических источников энергии и рабочего тела двигательных установок, состав и характеристики жидких и твердых ракетных топлив и требования к ним. Для лучшего усвоения материала приведены контрольные вопросы, примеры и задачи.

Н.В. Петрухиным написаны: § I.I, п.1.2.2, глава 2; В.И. Цуцураном - пп. I.I.I, I.I.2, § 1.2, 4.1, 4.2, глава 3; С.А. Гусевым - § 4.3. В написании учебника принял участие доктор технических наук А.Л. Бугримов (п. 3.5.3,).

При написании книги были использованы результаты, полученные авторами, а также данные исследований отечественных и зарубежных ученых.

Авторы считают своим долгом выразить благодарность Н.К. Егорову, В.И. Блинову, Ю.А. Мазалову, М.А. Майорову, Г.Я. Павловцу за предоставленный для обобщения материал (глава 3).

Глава I

РАКЕТНЫЕ ТОПЛИВА - ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ И РАБОЧЕГО ТЕЛА РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

1.1. ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ (ВЗРЫВЧАТЫЕ) МАТЕРИАЛЫ

Из числа известных и широко используемых видов энергии для ракетных двигателей нашла применение в настоящее время только химическая энергия. Другие виды анергии - ядерная, электрическая, механическая, имеют менее существенное значение, применение их находится в стадии теоретической или опытной проработки. Носителем химической энергии являются химические вещества, способные выделять тепло в результате химических превращений.

Наиболее ванное требование к топливам – максимальное выделение энергии пои сгорании:

HT = ∑Ii,ПС − ∑Ij,Т ,

Энтальпия сгорания топлива HT имеет отрицательный знак, поэтому с

уменьшением значения ее растет выделение химической энергии. Чем выше энтальпия образования топлива и ниже энтальпия образования продуктов сгорания, тем больше выделяется химической энергии.

Полная энтальпия образования вещества включает энтальпию его образования из простых веществ H 0f ,0 , отнесенную к температуре 0К, энтальпию нагрева до

выбранной температуры HT0 , а также энтальпию фазовых и полиморфных переходов

плавления, кипения и т.д. λпл , λкип , λпм Она выражается формулой

IT0 = H 0f ,0 + HT0 + λпл + λкип + λпм

Энтальпия фазовых и полиморфных переходов изменяется скачком при температуре перехода, а энтальпия нагрева - плавно по формуле

5

T

HT0 = ∫CpdT

0

На рис. 1.1 показано изменение энтальпии воды при нагревании ее до 400 К.

Рис. 1.1. Изменение энтальпии воды при нагревании

В табл. 1.1 приведены полные энтальпии некоторых продуктов сгорания ракетных топлив. Продукты сгорания с низким значением энтальпии образования, такие, как оксид и хлорид алюминия, диоксид углерода и вода, с энергетической точки зрения предпочтительнее остальных.

Химическая энергия выделяется в результате химических реакций: окисления - восстановления и разложения. Реакции диссоциации во внутрикамерном процессе ракетного двигателя идут наоборот с поглощением тепла.

В окислительно-восстановительной реакции можно получить наибольшее

поглощается ими. Чем выше температуре в камере сгорания, тем больше расходуется энергии на реакции диссоциации. Поэтому тепловая энергия всегда меньше теоретической химической энергии, а состав продуктов сгорания содержит

6

множество различных составляющих. Например, при сгорании топлива азотный тетраоксид - несимметричный диметилгидразин продукты сгорания содержат более одиннадцати составляющих: H2O, CO2, CO, H2, O2, N2,·ОН, N0, О, Н.

Различные элементы дают неодинаковый вклад в энергию топлива. В табл. 1.2

Как следует из табл. I.2, металл в составе топлива вносит существенное увеличение химической энергии, а среди окислительных элементов кислород предпочтительнее хлора.

где Hi,p - энтальпия растворения или взаимодействия I кг i-го

растворяемого или взаимодействующего компонента; mi,p: - массовая доля этого компонента.

Вуравнении суммирование в первом слагаемом производится по всем компонентам, а во втором - только по растворяемым или взаимодействующим.

Втабл. 1.3 в качестве примера приведено значение энтальпии для некоторых топлив. Значение энтальпии топлива колеблется в пределах от -2100 до 1574 кДж/кг.

1.1.1 Виды взрывчатых превращений

Потенциальная энергия химических источников (систем, материалов) освобождается в результате химических превращений их в продукты реакции. В зависимости от характера и условий их возбуждения, интенсивности и механизма протекания различают следующие основные виды (формы) химических превращений (рис. 1.2): термическое разложение; горение; детонация.

Термическое разложение представляет собой самый медленный процесс из рассматриваемых, протекавший при сравнительно низких температурах (распад отдельных молекул может идти даже при комнатной температуре) и практически равномерном прогреве массы вещества. Подчиняется законам химической кинетики,

7

энергия активации термического разложения составляет 100...200 кДж/моль. Процесс идет, как правило, ступенчато, включает не одну, а несколько последовательно и параллельно идущих реакций. Все это приводит к тому, что зона максимальной температуры располагается далеко от поверхности вещества, градиент температуры мал и скорость распространения тепла, если оно происходит путем теплопроводности, также мала.

Рис. 1.2 Виды (формы) химических превращений взрывчатых (энергетических) материалов.

Горение - физико-химический процесс, осуществляемый при сравнительно высоких температурах прогретого слоя, вступившего в реакцию. В отличие от медленного термического разложения, протекающего практически равномерно по всему объему, при горении возникает фронт превращения - зона интенсивных химических реакций, отделяющая непрореагировавшее вещество от продуктов реакции и перемещающаяся по веществу.

В основе горения лежат химические реакции, способные протекать с самоускорением вследствие накопления тепловой энергии (тепловое гонение) или активных продуктов (цепное горение). Энергия активации горения на порядок ниже, чем процессов термического разложения. Распространение горения по заряду обусловлено в основном такими низкоскоростными процессами, как теплопроводность и диффузия. Скорость послойного горения взрывчатого материала меньше скорости распространения звука в нем, по порядку величины не

8

превосходит I02 м/с и зависит от давления в камере сгорания и температуры заряда.

Горение часто сопровождается свечением и образованием пламени. Под пламенем понимают газообразную среду (включающую в некоторых случаях конденсированные продукты), в которой происходят физико-химические превращения реагентов при высоких температурах, для газообразных веществ весь

непосредственно в узком слое вещества и на его поверхности. Известно и беспламенное горение, когда процессы протекают практически только в

хотя известны и прозрачные пламена.

Детонация - химическое превращение, распространяющееся по заряду с постоянной и максимально возможной для этого заряда скоростью, превосходящей скорость звука (D =103…104 м/с). Распространение детонации обусловлено

Вследствие высокой температуры в зоне реакций энергия активации процесса стремится к нулю.

Главная особенность детонации - тепло, выделяющееся в зоне химических реакций, полностью компенсирует энергозатраты на ударный разогрев исходного вещества и теплопотери в окружающую среду. Поэтому при детонации реализуется режим саморегулирующихся реакций и, как следствие, постоянство скорости распространения процесса по заряду.

Такие низкоскоростные процессы, как теплопроводность и диффузия, при детонации играют подчиненную роль и поэтому ее скорость практически не зависит от внешнего давления. Возбуждение детонации осуществляется по ударноволновому механизму.

Все формы химического превращения - медленное термическое разложение, горение и детонация - связаны между собой как по сущности происходящих процессов (окисление - восстановление, распад молекул), так и генетически. Термическое разложение может в определенных условиях приводить к горению, горение - переходить в детонацию и наоборот. В то же время лишь горение и детонацию принято считать взрывчатыми превращениями. Их объединяет наличие узкой зоны интенсивных прогрессивно самоускоряющихся химических реакций,

трех основных факторов: экзотермичностью, высокой скоростью превращения и газообразованием.

Выделение тепла является главным условием, без которого взрывной характер химического превращения невозможен. Вещества, требующие для своего превращения постоянного притока тепла, не могут быть взрывчатыми материалами. Теплота взрывчатого превращения является характеристикой; определяющая мощность ЭМ как источника энергии и для современных систем достигает ~13 МДж/кг и выше. Значение скорости процесса определяется тем, что для взрывчатого превращения необходима его высокая энергетическая напряженность. Плотность энерговыделения определяет принципиальную возможность использования

соответственно плотность энерговыделения - по порядку величины 10…103 МДж/м3.

которых при нормальных условиях достигает 1 м3/кг. Однако в отличие от первых двух факторов газовыделение в общем случае не является обязательным условием взрывчатого превращения.

В заключение подчеркнем, что существенные различия в скоростях протекания взрывчатых превращений в виде горения и детонации обусловлены прежде всего принципиальными различиями механизма передачи энергии от слоя к слою заряда

9

(теплопроводность, диффузия и ударная волна). Наряду с этим горение и детонация отличаются направлением истечения продуктов превращения (противоположное направлению перемещения фронта и по направлению соответственно), а такие степенью зависимости скорости процессов от внешних условий.

Следует подчеркнуть, что горение и детонация - не единственно возможные формы взрывчатых превращений, в диапазоне скоростей от 103 до 104 м/с могут реализовываться "промежуточные" виды, например конвективное горение, взрыв тепловой или цепной, а также переходные процессы.

1.1.2. Классификация взрывчатых (энергетических) материалов

Индивидуальные вещества и смеси, способные к взрывчатым превращениям, называют взрывчатыми или энергетическими материалами (ВМ, ЭМ). Всю совокупность различных ВМ классифицируют по назначению, агрегатному и фазовому состояниям (рис. 1.3), а также по другим признакам.

Назначение - один из важнейших классификационных признаков, поскольку оно определяет принцип использования химической энергии, основные требования к взрывчатому материалу,

Из возможных агрегатных состояний ВМ как источника энергии различных двигателей, средств метания, энергосиловых и других установок предпочтение отдают жидкому и твердому состоянию, т.е. конденсированным системам, отличающимся высокой концентрацией энергии в единице объема. В учебнике анализируются различные классы ВМ, находящихся в условиях, применения в жидком и твердом состояниях. В специальной технической литературе такие ВМ принято называть энергетическими конденсированными системами (ЭКС).

10