3.3.2. Основные характеристики жидких топлив

Рассмотрим типичные криогенные окислители:

Кислород. Прозрачная голубоватая жидкость, имеет следующие физико-химические характеристики: температура кипения 90 К, плотность при этой температуре – 1140 кг/м³, температура плавления 54 К, критические параметры - температура 154 К, а давление 4,9 МПа. Энергетические возможности двух топлив с типичными для кислорода горючими: углеводородным Т-1 (керосин) и жидким водородом показаны в таблице 3.2 (здесь и в других таблицах значения удельного импульса вычислены для стандартных условий: ,

p_a = 0,1 МПа. Плотность топлив определена по формуле , где , - плотность и доля i-ого компонента топлива.

Таблица 3.2

Горючее			, м/с	, кг/м3
Т-1	3,35	0,8	3173	1027	3692
	8	0,5	4219	281	3090

Топливо кислород + водород обладает наибольшим импульсом, имеет меньшую температуру продуктов сгорания, что важно для организации тепловой защиты, но уступает по плотности. Ни с одним горючим кислород не дает самовоспламенения. Оба топлива нашли применение в ДУ ракет-носителей среднего и тяжелого класса.

Топливные баки, арматуру и собственно двигатели для кислорода выполняют из алюминиевых сплавов, латуней и нержавеющих сталей.

Фтор. Желтая прозрачная жидкость с удушливым запахом, имеет характеристики: температура кипения 85 К, плотность при этой температуре -1510 кг/м³, температура плавления 53 К, критические параметры - температура 144 К, а давление 5,4 МПа. Самый химически активный окислитель, взаимодействует со всеми элементами, задержка самовоспламенения с горючими не превышает 0,0003 с.

Энергетическая эффективность показана в таблице 3.3 по аналогии с кислородом.

Таблица 3.3

Горючее			, м/с	, кг/м3
Т-1	8,05	0,3	3358	1205	3864
	19	0,4	4394	451	3981

Удельный импульс топлива фтор + водород больше, чем у пары кислород + водород, но существенно выше температура продуктов сгорания ввиду низкого значения их теплоемкости и меньшей склонности к диссоциации. Фтор является чрезвычайно опасным в обращении продуктом - ПДК = 0,00001 мг/л, все работы с ним ведутся в герметичном защитном костюме и в изолирующем противогазе.

Все высококипящие окислители ( > 293 К) содержат наряду с окислительным элементом (кислородом) и элементы-носители (азот и водород).

Азотная кислота. Прозрачная желтоватая жидкость, имеет характеристики: температура кипения 357 К, плотность при Т= 293 К - 1510 кг/м³, температура плавления 231 К. С рядом горючих (аммиак, амины, несимметричный диметилгидразин) дает самовоспламенение с малым периодом задержки. Энергетическая эффективность топлива на основе азотной кислоты невелика, как показано в таблице 3.4

Таблица 3.4

Горючее			, м/с	, кг/м3
Т-1	5,35	0,9	2772	1283	3143

Азотная кислота является высокоопасной в обращении вследствие токсичного действия оксидов азота.

Азотный тетроксид ( ). Темно-бурая жидкость, «дымящая» на воздухе, имеет характеристики: температура кипения 294,5 К, плотность при Т= 293 К – 1450 кг/м³,температура плавления 262 К. С горючими на основе аминов и несимметричным диметилгидразином обеспечивает самовоспламенение.

Энергетические возможности окислителя показаны в таблице 3.5

Таблица 3.5

Горючее			, м/с	, кг/м3
T-1 (керосин)	4,9	0,85	2923	1258	3466
Несимметричный диметилгидразин	3,07	0,9	3026	1160	3433
Гидразин	1,44	0,95	3078	1224	3262

Топливо AT + гидразин по значению удельного импульса приближается к топливу кислород + керосин и превосходит его по значению плотности. Но в отечественном ракетостроении этот окислитель нашел значительное применение в сочетании с горючим - несимметричным диметилгидразином. По ряду критериев: баллистическая эффективность, самовоспламеняемость, приемлемые значения температуры кипения и замерзания, возможность многолетнего хранения ракеты в заправленном состоянии такое топливо оказалось лучшим. Двигательные установки ракеты «Протон» созданы еще в 60-е годы именно на этом топливе, до сих пор ракета является самым мощным носителем на высококипящих компонентах.

Теперь обратимся к углеводородным горючим. Таковыми являются индивидуальные вещества или смеси различных по строению веществ, практически полностью состоящие из двух элементов: углерода и водорода. Обычно применяют смеси, получаемые прямой перегонкой нефти и переработки ее отдельных фракций. Горючие как индивидуальные вещества являются синтетическими продуктами.

Элементарный состав горючего: С, Н, S, О, N. Сера, кислород, и азот присутствуют в малых количествах, не оказывают существенного влияния на энергетические показатели топлива. Но сера и ее соединения сильно влияют на эксплуатационные характеристики горючего - оказывают коррозирующее действие и способствуют смолообразованию в горючем.

Горючее Т-1. Бесцветная жидкость с запахом нефтепродуктов, получаемая прямой перегонкой нефти малосернистых сортов. Состав горючего выражает условная формула . Плотность при Т = 293 К - 810 кг/м³. Применяется обычно в паре с жидким кислородом. Эффективность показана в таблице 3.2. Горючее не самовоспламеняется ни с чем, кроме фтора.

Легкие парафины (формула ). Из всех соединений водорода самым «водородосодержащим» является метан и его ближайшие гомологи в ряду парафинов. Эти продукты стабильны, неагрессивны, нетоксичны и дешевы в получении. Свойства их показаны в таблице 3.6.

Таблица 3.6

Продукт	Ткип , К	Тпл , К	, кг/м3	Ткр , К	МПа
Метан,	111,4	90,5	424	191	4,64
Этан,	184,5	90	546	306	4,91
Пропан,	231	85	592	370	4,36

Энергетические возможности этих горючих в паре с жидким кислородом показаны в таблице 3.7.

Таблица 3.7

Горючее			, м/с	, кг/м3	, К
Метан	4,9	0,8	3288	191	3536
Этан	3,07	0,8	3254	791	3608
Пропан	1,44	0,8	3239	797	3638

В настоящее время приступили к реализации криогенных углеводородных горючих в двигателестроении - они доступны, дешевы, могут долго храниться в условиях космического пространства и имеют высокие значения удельного импульса.

Давно рассматривается применение в качестве горючего металлов Be, Li, A1 и их гидридов. При горении этих металлов в кислороде и фторе на единицу массы продуктов сгорания выделяется больше теплоты, чем при горении водорода. Но трудности подачи металлов в камеру сгорания и возникающие дополнительные потери удельного импульса из-за двухфазности продуктов сгорания (газ + жидкие частицы окислов металлов) пока исключают реализацию жидких топлив с добавками металлов в практике двигателестроения.

Можно считать, что в распоряжении разработчиков ракет и их двигательных установок имеется широкий набор компонентов топлив, позволяющий решить задачи создания новых ракетных комплексов для исследования и эксплуатации космического пространства.