128 |
Гл. 5. Характеристики топлив ЖРД |
§ |
1. Основные виды топлив ЖРД |
По характеру использования в ЖРД топливо принято называть
основным, пусковым и вспомогательным.
Основным топливом называются жидкие компоненты топлива, используемые непосредственно для работы камеры двигателя, а пусковым топливом •— жидкие самовоспламеняющиеся компоненты топлива, используемые только в период запуска двигателя для пер
воначального воспламенения в камере сгорания несамовоспламеня-
тощихся компонентов основного рабочего топлива.
Вещества, используемые в двигателе в качестве источника теп ловой энергии и рабочего тела для питания газогенератора турбины насосного агрегата и жидкостного аккумулятора давления систем подачи из баков в камеру сгорания основных компонентов топлива,
иногда называют вспомогательным топливом. Для этой цели также может быть использована небольшая часть компонентов основного топлива или газы, отбираемые из камеры двигателя.
ВЖРД могут быть использованы:
1)однокомпонентные жидкие топлива, в которых горючее и окислитель объединены в одном жидком веществе в виде химиче ского соединения или устойчивой механической смеси (унитарные
топлива);
2) двухкомпонентные и многокомпонентные жидкие топлива, со
стоящие из двух и более раздельно хранимых компонентов горючего и окислителя и раздельно подаваемых в камеру сгорания дви гателя.
К однокомпонентным топливам относятся нитрометан (CH3NO2), представляющий собой высококалорийное, но сравни тельно дорогое и взрывоопасное унитарное топливо, нитроглице рин (C3H5N3O9), растворы в азотной кислоте четырехокиси азота,
тетранитрометана и других окислителей с горючим ’. Однокомпонентные жидкие топлива характеризуются следующи
ми особенностями:
а) однородностью горючей смеси; б) постоянством всех ее основных характеристик (значениями
коэффициента избытка окислителя, теплотворности, скорости сго рания и др.);
в) кинетическим характером сгорания в первичной стадии (не зависимо от гидродинамических факторов);
г) значительной склонностью некоторых топлив к разложению, детонации и взрыву.
При использовании унитарного топлива можно существенно упростить всю систему топливоподачи и несколько выиграть в весе двигателя по сравнению с двигателем, работающим на двухк<рмпо-
нентном топливе. Однако существующие унитарные топлива значи тельно уступают двухкомпонентным топливам вследствие их:
1 Экспресс-информация АН СССР, вып. 10, АДС—39, 1959.
§ 1. Основные виды топлив ЖРД |
129 |
1)значительной взрывоопасности (с мощным бризантным дей ствием) при удовлетворительно?! теплотворности или
2)сравнительно низкой теплотворности при необходимой взры воопасности.
Попытки примирить эти противоречия пока не дали желательно
го эффекта. До сих пор не создан ни один двигатель, надежно ра ботающий на жидком унитарном топливе, несмотря на многие по пытки конструкторов.
Особенно взрывоопасным и токсичным является нитрометан, представляющий собой при обычной температуре слегка масляни стую жидкость, используемую в промышленности в качестве раство рителя и составной части лаков и красок для покрытий. Его темпе ратура кипения + 110° С, температура плавления —29° С и темпера тура продуктов сгорания при 35 ата — около 2170° С, что указывает на благоприятное его использование с термодинамической точки зрения. При горении нитрометана образуется бледное, почти неви димое пламя.
Так как скорость детонации нитрометана во много раз превыша
ет скорость нормального горения, а давление впрыска его в камеру сгорания должно быть таким, чтобы лишь незначительно превысить
давление в камере сгорания, то детонационная волна может распро страниться по топливопроводам и вызвать в них взрыв и аварию двигателя.
Для запуска двигателя, работающего на нитрометане, требуется специальная система зажигания и для начального воспламенения его — небольшое количество газообразного кислорода.
К числу наиболее распространенных двухкомпонентных |
топлив |
||
относятся: |
спирта с жидким |
|
|
а) |
водные растворы этилового |
кисло |
|
родом; |
(96 или 98%-ной концентрации |
||
б) |
керосины с азотной кислотой |
||
по весу) или с ее растворами и др.
Двухкомпонентные жидкие топлива характеризуются следую щими особенностями:
а) раздельным хранением и подачей в камеру сгорания двига теля;
б) относительной безопасностью при хранении и использовании в двигателе;
в) диффузионным (в основном) процессом сгорания в турбу лентном потоке при одновременном смешении частиц горючего и окислителя (скорость сгорания обусловливается скоростью смесе образования) ;
г) возможностями подбора стабильных и наиболее эффективных компонентов топлива и регулирования скорости сгорания его путем
изменения интенсивности смесеобразования, так как при высоких
температурах, развиваемых в очаге горения, скорость химической
9 371
130 |
Гл. 5. |
Характеристики топлив ЖРД |
реакции несоизмеримо |
больше, чем скорость смесеобразования, |
|
и др. |
|
|
При диффузионном сгорании топлива пределы допустимого фор сажа, не нарушающего устойчивого горения, гораздо шире, чем при кинетическом горении, что объясняется в основном предельной не однородностью газового потока по концентрации компонентов топ лива, т. е. по избытку окислителя.
Двухкомпонентные и многокомпонентные топлива делятся на:
1) несамовоспламеняющиеся топлива, жидкие компоненты кото
рых при контакте между собой не загораются и для своего воспламе нения требуют постороннего источника тепла, и -Л 2) самовоспламеняющиеся топлива, жидкие компоненты кото
рых в случае контакта между собой начинают гореть без посторон него источника тепла.
Примером несамовоспламеняющихся топлив служат спирт с кислородом, керосин с азотной кислотой и др.
Для каждого горючего можно подобрать такой окислитель, с которым рассматриваемое горючее будет самовоспламеняться при нормальной температуре. Поэтому деление горючих на самовос пламеняющиеся и несамовоспламеняющиеся лишено смысла, если не приведено указание на применяемый при этом конкретный окис литель, с которым рассматриваются комбинации горючих.
С фтором и озоном самовоспламеняется большинство горючих.
Достаточно велико число горючих, самовоспламеняющихся с ки слородом (фосфор, бороводороды, некоторые металлорганические соединения и многие другие). Ряд горючих воспламеняется с моно окисью фтора. Горючие, самовоспламеняющиеся с азотной кисло
той, как правило, самовоспламеняются |
с |
жидкими окислами |
азота, с их растворами в тетранитрометане, |
с окислами хлора и |
|
хлорной кислотой или их растворами, а |
также с моноокисью |
|
фтора. |
|
|
Возникновение самовоспламенения в значительной мере зависит
от условий, при которых происходит смешение реагирующих компо нентов.
В настоящее время в ЖРД получили применение горючие, самозоспламеняющиеся при контакте с азотной кислотой и перекисью водорода. К группе самовоспламеняющихся горючих с этими окис лителями относятся:1
а)’ смесь ксилидина и триэти,ламина с азотной кислотой; б) смесь анилина (65% по весу) и фурфуролового спирта (35%)
с азодной кислотой; в) смесь оптола, анилина, ксилола, бензола и винилэтилового
спирта с азотной кислотой; |
перекисью водорода; |
|
г) |
«гидразингидрат с |
|
|
А. В. Болгарский и В. К. Щукин, Рабочий процесс в жидкостных |
|
ракетных двигателях, Оборонгиз, |
1953. |
|
$ 1. Основные виды топлив ЖРД |
131 |
д) ксилидин со смесью АМ-50 (смесь состоит по весу из |
50% |
азотной кислоты 98%-ной концентрации и 50% олеума для нитра
ции, ГОСТ 701—41) и некоторые другие горючие, используемые в различных комбинациях друг с другом и с катализаторами вос пламенения в качестве как основных, так и пусковых горючих ком
понентов топлива.
В качестве пусковых самовоспламеняющихся компонентов топ лива успешно используют ксилидин со смесью АМ-40 или АМ-50 и
другие сочетания горючих и окислителей.
Основное преимущество использования в ЖРД самовоспламе няющихся компонентов в качестве основного и пускового топлива состоит в следующем:
а) значительно упрощается система запуска двигателя, так как в этом случае не требуется особое устройство для зажигания топ лива;
б) уменьшается опасность взрыва горючей смеси в камере сго рания при запуске и остановке двигателя, так как скопление несго ревшего топлива в камере почти невозможно;
в) уменьшаются объем и вес камеры сгорания, так как самореагирующие компоненты не требуют значительного времени для подготовки к сгоранию, что увеличивает литровую тягу двигателя.
Основными недостатками самовоспламеняющихся топлив яв ляются:
а) производство этих топлив значительно сложнее, в силу чего они дороже относительно несамовоспламеняющихся топлив, и
б) большая пожароопасность в случае их течи в коммуника циях двигателя.
Условия воспламенения и горения топлива в камере сгорания требуют, чтобы несамовоспламеняющиеся компоненты топлива имели возможно низкую температуру воспламенения, а самовос пламеняющиеся компоненты топлива — возможно малый период задержки их самовоспламенения (период индукции). Особо важ ное значение имеет последнее требование.
Под периодом задержки самовоспламенения понимают время,
прошедшее от момента соприкосновения между собой жидких са мовоспламеняющихся компонентов топлива до их воспламенения.
Для безопасности запуска двигателя время задержки самовос пламенения компонентов топлива не должно превышать 0,03 сек.
Для надежности запуска двигателя в различных метеорологиче ских условиях и на различных высотах необходимо, чтобы время задержки самовоспламенения не возрастало чрезмерно при пони жении температуры топлива и уменьшении атмосферного давления.
Чем ниже температура воспламенения самовоспламеняю щихся компонентов топлива, тем меньше потребная энергия для их активации при зажигании, т. е. тем меньше требуется тепловой энергии извне для того, чтобы эти компоненты зажечь. Если в ка
кой-то группе частиц топливной смеси начнется горение, то энергия