4. Топлива тепловых двигателей

4.1. Факторы, определяющие требования к топливам

Топлива тепловых двигателей являются носителями химической энергии и источником массы рабочего тела. Продукты сгорания в конечном итоге используются для совершения механический работы. Для процесса горения, представляющего собой быстротекущее окисление, требуется окислитель и горючее.

Для некоторых тепловых двигателей (поршневых ДВС, воздушно-реактивных, гидроракетных) окислителем является вещество, поступающее в двигатель из окружающей среды: атмосферный воздух или забортная вода.

В ракетных двигателях окислитель и горючее находятся на борту транспортного средства. В ряде случаев используются однокомпонентные (унитарные) топлива, способные к экзотермическим реакциям разложения.

Химические топлива в соответствии с их агрегатным состоянием могут быть жидкими, твердыми и газообразными.

Топлива для тепловых двигателей должны обладать определенными физико-химическими, эксплуатационными, экономическими и экологическими показателями.

К физико-химическим показателям относят параметры, характеризующие состояние компонента и его состав; плотность, вязкость, теплоемкость, теплопроводность, теплоту образования, критические параметры, температуру плавления и кипения.

К эксплуатационным относят свойства топлив, определяющие надежность и экономичность эксплуатации двигателя. Такими свойствами являются детонационная стойкость (октановое число) или склонность к воспламенению (цетановое число) углеводородных горючих для поршневых ДВС, температурные и концентрационные пределы воспламенения, пределы устойчивого горения, температура самовоспламенения, время задержки воспламенения или самовоспламенения, а также такие свойства, как испаряемость, прокачиваемость, склонность к образованию отложений, коррозионную активность, охлаждающие свойства, совместимость с конструкционными материалами и другие.

4.2. Общие требования к топливам как термодинамической системе

С учетом приведенных факторов топлива для тепловых двигателей должны отвечать следующим общим требованиям.

1. Обладать высоким значением теплоты сгорания или удельного импульса (в случае ракетных двигателей), высокой плотностью. Плотность веществ и их теплота сгорания между собой не связаны, поэтому при сравнении альтернативных вариантов топлив нередки случаи, когда более эффективное по удельному импульсу (теплоте сгорания) топливо обладает меньшей плотностью, и наоборот. Поэтому необходим учет совместного влияния обоих энергетических параметров топлива, хотя иногда влияние плотности топлива оказы­вается менее значимым, чем удельного импульса.

Число возможных сочетаний окислителей с горючими для ракетных двигателей, особенно для ЖРД, может достигать нескольких сотен. Если какая-то группа топлив выбрана из условий назначения летательного аппарата и удовлетворяет его эксплуатационным, экономическим и экологическим параметрам, то сопоставление отдельных топлив из выбранной группы по энергетическим возможностям можно выполнить по расчетному значению приращения идеальной скорости летательного аппарата (ЛА)

(4.1)

где - массовое число ЛА;

- масса ЛА в момент включения двигателя (для двигателей первой ступени - стартовая масса ЛА);

т_к— масса ЛА в момент выключения двигателя (конечная масса ЛА);

т_т— масса топлива.

Формула для вычисления получена в предположении прямолинейного движения в пустоте и отсутствия действия на ЛА гравитационных сил.

Для первых ступеней ракет влияние на относительных изменений удельного импульса и плотности при выборе различных топлив в энергетическом плане примерно одинаково. Для верхних ступеней ракет оправдано применение топлив с высоким удельным импульсом (с использованием в качестве, горючего жидкого водорода), хотя и с малой плотностью.

2. В условиях длительного хранения, транспортировки и применения необходимы высокая стабильность, низкая гигроскопичность, малая токсичность и взрывобезопасность топлив и его компонентов.

3. Применение топлива или отдельных его компонентов должно быть экономически целесообразным: сырьевые ресурсы должны быть достаточными, технологическая и производственная база - доступной и развитой. Желательно, чтобы компоненты топлива для ракет военного назначения находили применение в отраслях, не связанных с оборонной техникой.