132 |
Гл. 5. Характеристики топлив ЖРД |
активации для |
других частиц будет передаваться от ранее хи |
мически прореагировавших между собой частиц компонентов топ лива.
Величина энергии активации для различных |
топливных сме |
сей различна. Чем больше потребная энергия |
активации, тем |
труднее воспламенить топливную смесь. |
|
Ниже приведены основные характеристики горючих, окислите лей и образуемых ими топлив, представляющих наибольший инте рес для использования в ЖРД.
§ 2. Параметры, характеризующие качество топлива
Для выбора вида топлива и расчетов его процессов сгорания, а также расчета двигателя необходимо иметь полные и точные све дения о параметрах (физико-химических и др.) горючего, окисли теля и топлива в целом.
К таким параметрам, характеризующим качество топлива, от носятся:
1)удельный вес топлива и его компонентов в зависимости от
температуры;
2)температуры замерзания (плавления) и кипения этих компо нентов топлива при данном давлении;
3)их удельная теплоемкость, вязкость и поверхностное натя
жение;
4)элементарные составы компонентов топлива;
5) коэффициент состава топлива (соотношение окислителя
кгорючему) или коэффициент избытка окислителя в топливе;
6)величины теплотворности или энергосодержания топлива и его компонентов;
7)температуры вспышки и самовоспламенения, период индук
ции и пределы воспламенения данного топлива;
8)температура сгорания топлива при данных условиях;
10)удельное газообразование топлива, т. е. объем образую щихся газов при сгорании единицы веса или объема топлива, при веденный к стандартным условиям;
11)удельная тяга, развиваемая двигателем при работе на дан
ном топливе и при определенных условиях;
12) химическая стойкость компонентов топлива и продуктов сгорания топлива;
13)агрессивное действие компонентов топлива и продуктов его сгорания на материальную часть двигателя;
14)взаимная растворимость компонентов топлива и химиче
ское влияние их друг на друга;
15)содержание в компонентах топлива посторонних примесей и их влияние на эксплуатацию двигателя;
16)химическая активность компонентов топлива, т. е. способ ность горючего и окислителя вступать в реакцию друг с другом,
§ 2. Параметры, характеризующие качество топлива |
133 |
характеризуемая скоростью химического превращения |
реагирую |
щих веществ в данных условиях; |
|
17)теплота образования компонента, подогрева его до тем пературы кипения и теплота испарения компонентов топлива;
18)гигроскопичность, летучесть и ядовитость компонентов
топлива; 19) техническая доступность, стоимость и другие характеристи
ки компонентов топлива.
Фиг. 5. 1. Физические константы трак |
Ф.иг. 5.2. Физические констан |
торного керосина в зависимости от |
ты керосина в зависимости от |
температуры (при нормальном дав |
температуры (при нормальном |
лении). |
давлении). |
Перечисленные свойства и характеристики топлива определя ют к. п. д. и удельную тягу двигателя, возможность его охлаж дения одним из компонентов топлива, систему питания топливом, надежность работы, удобство и безопасность эксплуатации,
возможность и целесообразность использования топлива в дви гателе.
Основным показателем, определяющим качество данного топ лива, является развиваемая им весовая и объемная удельные тяги.
Удельный вес, температура замерзания и кипения при данных условиях, а также другие характеристики некоторых компонентов топлива приведены в таблицах, заимствованных из справочников и других литературных источников.
На фиг. 5. 1—5. 7 приведены физические константы (удельный вес, удельная теплоемкость, теплопроводность, вязкость и др.) наи
более широко используемых горючих и окислителей в зависимости от температуры.
Некоторые физические константы топлива или его отдельных компонентов могут быть определены по следующим формулам:
134 Гл. 5. Характеристики топлив ЖРД
1) |
удельный вес топлива |
|
|
|
7г + Х'То |
7о7г(1 + у) |
|
|
7т |
+г |
(5.1) |
|
1 |
7о + 7.7г |
|
где 7г и 7» — удельные веса |
соответственно горючего и окислите |
||
х' |
ля при данных значениях температуры и давления; |
||
и х — объемное и весовое |
соотношение компонентов топ |
||
|
лива; |
|
|
Фиг. 5.3. Физические константы этилово |
Фиг. 5.4. Физические константы го |
го спирта 100%-ной весовой концентра |
рючего тонка'-250 в зависимости от |
ции в зависимости от температуры (при |
температуры (при нормальном давле |
нормальном давлении). |
нии). |
Фит. 5. 5. Физические константы азотной |
Ф'иг. 5.6. Физические константы |
|
кислоты 100°/о-ной весовой концентрации |
в зависимости |
от температуры |
в зависимости от температуры (при нор |
окислителя, состоящего из 80% |
|
мальном давлении). |
HNOj 98%-ной и 20% N2Oi (при |
|
|
нормальном давлении). |
|
2) удельный вес смеси нёскольких компонентов |
|
|
Y=g’i Yi +£272+— + и т. д„ |
(5- 2) |
|
где gi, gi и т. д. — весовые доли |
соответствующих |
компонентов |
в 1 кг смеси; |
|
|
|
|
|
$ 2. Параметры, характеризующие качество топлива |
135 |
||||
Yi> |
72 |
и |
т. |
д. ■—-удельные веса этих |
компонентов |
при |
данных |
|
3) |
|
|
|
значениях температуры и давления; |
|
|||
теплоемкость смеси компонентов |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
c^=gic1+g2c2+... + и т. д., |
|
(5.3) |
||
где С], |
с2 |
и |
т. |
д. — теплоемкости |
соответствующих компонентов в |
|||
|
|
|
|
смеси при |
данных |
значениях |
температуры |
|
идавления;
4)теплопроводность данного жидкого неассоциированного ком понента
|
X = |
У/3 ккал/м в час °C, |
(5.4) |
|
|
\7о / |
|
где Хо |
—-----— теплопроводность в ккал'м час |
С; |
|
с0 — теплоемкость и у о — удельный вес компонента при данных значениях темпера
туры и давления; ц— молекулярный вес этого компонента;
5) теплопроводность смеси компонентов (приближенно)
^=£Д1+£2^24-... |
+ и т. д., |
|
(5-5) |
где Xi, Х2 и т. д. — коэффициенты |
теплопроводности соответству |
||
ющих компонентов топлива при данных значе |
|||
ниях температуры и давления; |
|
|
|
6) коэффициент кинематической вязкости смеси компонентов |
|||
v =------------------- --------------------- |
м2, сек, |
|
(5.6) |
Ulh) + №) + • • |
. + И Т. Д. |
|
|
где vi, V2 и т. д. — коэффициенты кинематической вязкости |
соот |
||
ветствующих компонентов при |
данных |
значе- |
|
чениях давления и температуры |
(v=T]/p, здесь |
||
р— плотность компонента).
Косновным параметрам, характери
зующим качество топлива, также относит ся его эффективность, т. е. величина дости
гаемой скорости полета снаряда в конце
активного участка при работе двигателя на данном топливе, так как эта скорость является основным фактором, определяю щим дальность полета реактивного сна ряда.
Относительная эффективность данного |
|
||
топлива или его компонентов при одина |
Фиг. 5.7. Физические кон |
||
ковых условиях использования (одинако |
|||
вых значениях тяги ЖРД и |
давления в |
станты жидкого кислорода в |
|
зависимости от температу |
|||
камере сгорания, постоянных |
секундных |
||
ры. |
|||
Таблица 5.1
Упругость насыщенных паров некоторых компонентов топлива, применяемых в образцах иностранных ракет
|
Хими |
|
|
Давление в |
атм |
|
|
|
Критические |
||||
|
|
|
|
|
|
параметры |
|||||||
Вещество |
ческая |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
^КР |
|
||||
|
формула |
2 |
5 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
атм |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
°C |
|
|
|
|
|
|
Температура, |
°C |
|
|
|
|
|
|
|
Этиловый спирт 100%-ный |
С2Н5ОН |
97,5 |
126,0 |
151,8 |
183,0 |
203,0 |
218,0 |
230,0 |
242,0 |
243 |
63,1 |
||
То же 92%-ный |
— |
|
|
100 |
128 |
155 |
183 |
210 |
232 |
250 |
266 |
— |
|
Метиловый спирт 100%-ный |
СН3ОН |
84,0 |
112,5 |
138,0 |
167,8 |
186,5 |
203,5 |
214,0 |
224,0 |
240 |
78,7 |
||
Изопропиловый спирт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
— |
|
|
100%-ный |
С3Н7ОН |
101,3 |
130,2 |
155,7 |
186,0 |
205,0 |
220,2 |
232,0 |
235 |
53,0 |
|||
Анилин |
C6H7N |
212,8 |
254,8 |
292,7 |
342,0 |
375,5 |
400,0 |
424,4 |
— |
426 |
52,4 |
||
Аммиак |
NH3 |
|
—18,7 |
+4,7 |
25,7 |
50,1 |
66,1 |
78,9 |
89,3 |
98,3 |
132,4 |
111,5 |
|
Керосин |
— |
|
|
185 |
225 |
287 |
340 |
330 |
— |
— |
— |
404,0 |
30,6 |
Тонка-250 |
— |
|
|
100 |
170 |
214 |
270 |
304 |
— |
— |
— |
358 |
34 |
Гидразин |
n2h4 |
|
135 |
175 |
205 |
235 |
262 |
275 |
290 |
300 |
380 |
145 |
|
Диметилгидразин несимме |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
235 |
|
|
тричный (димазин) |
c h n |
2 |
84 |
110 |
142 |
173 |
190 |
208 |
224 |
249 |
62 |
||
|
2 |
8 |
|
||||||||||
Метилгидразин |
ch5n2 |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
— |
257 |
75 |
||
Кислород жидкий |
O2 |
|
—176,0 |
—164,5 -153,1 —140,0 |
-130,7 —124,1 |
|
— |
-118,9 |
49,7 |
||||
Азотная кислота 100%-ная |
HNO3 |
|
120 |
150 |
190 |
230 |
264 |
290 |
312 |
— |
— |
— |
|
То же 98'/о-ная |
— |
|
|
100 |
138 |
160 |
205 |
226 |
240 |
— |
— |
— |
— |
Четырехокись азота |
N2O4 |
|
37,3 |
59,8 |
79,4 |
100,3 |
112,3 |
121,0 |
127,0 |
132,2 |
158,0 |
99,0 |
|
Смесь из 80% HNO3 |
— |
|
58 |
83 |
103 |
124 |
135 |
144 |
155 |
160 |
198,0 |
132,0 |
|
98 %-ной-1-20% N2O4 |
|
||||||||||||
Вода |
H2O |
|
120,1 |
152,4 |
180,5 |
213,1 |
234,6 |
251,1 |
264,7 |
270,5 374,15 225,65 |
|||
ЖРД топлив Характеристики .5 .Гл
§ 3. Пересчет весовых составов компонентов топлива |
137 |
расходах топлива и др.) может быть оценена по соответствующим формулам.
В табл. 5. 1 приведена упругость насыщенных паров некоторых компонентов топлива, а в приложении VIII — зависимость упругости паров некоторых жидкостей от температуры.
§ 3. Способы пересчета элементарных весовых составов компонентов топлива в условные химические формулы и наоборот
При оценке топлива и термодинамическом расчете ЖРД иногда приходится пересчитывать элементарные весовые составы компо нентов топлива в условные химические формулы и наоборот.
В случае использования кислородных окислителей компоненты топлива 100%-ной весовой концентрации в общем виде могут иметь следующие элементарные весовые составы.
Горючее: Сг—углерод; |
Окислитель: Со—углерод; |
Нг—водород; |
Но—водород; |
Ог—кислород; |
Оо—кислород; |
Nr—азот. |
No—азот. |
Всего 100% или 1 кг |
Всего 100% или 1 кг |
Эти же составы горючего и окислителя могут быть выражены
в виде следующих условных химических формул:
а) горючее Сс.ЩОо.Мп, и б) окислитель CC2Hh2O02Nn2,
где с12 h1( о1(П] и с2, h2, |
о2, п2 —число атомов отдельных элемен |
тов соответственно |
горючего и окислителя. |
Аналогичные условные химические формулы можно написать для большого числа элементов, образующих горючие и окислители,
например Cc^^H^O^Nn FfjClCI —сложный окислитель.
Пересчет заданных весовых долей элементов горючего Сг, НГг Or, Nr и окислителя Со, Но, Оо, No % в условные химические форму лы сводится в основном к определению числа атомов отдельных эле ментов компонентов топлива по следующим формулам.
Г орючего:
|
Сг |
(5.7> |
Ci = —; |
||
1 |
12 |
|
Окислителя: |
|
|
с — С° . |
(5. 8) |
|
2 |
12 ’ |
|
Пересчет заданных составов компонентов топлива из |
условных |
|
химических формул в весовые доли элементов производят по сле
дующим формулам.