Материал: Шевелюк, М. И. Теоретические основы проектирования жидкостных ракетных двигателей учебное пособие для высших учебных заведений

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

 

 

$ 10. Основные характеристики горючих ЖРД

179

низшая теплотворность, ккал/кг-.

 

а)

при сжигании в кислороде......................................

1940

б)

„

»

во фторе .............................

2430

Гидразин является наиболее эффективным и универсальным го­ рючим, поскольку он обеспечивает повышение Руд в сочетании почти со всеми окислителями. Для применения необходимо улуч­ шить эксплуатационные свойства гидразина и удешевить его произ­ водство. Весьма желательно понизить его температуру плавления введением примесей, например, раствора в нем воды или раствора его в аммиаке, с которым он растворяется неограниченно. Добав­

ление к гидразину 10% по весу воды понижает его температуру

плавления до —9° С, а

при

добавлении

20%

воды — почти

до

—30° С.

 

 

 

ЖРД оказываются

ме-

Весьма перспективными горючими для

тилгидразин

(CH3N2H2)

и

несимметричный

диметилгидразин

(CH3)2N2H2,

являющиеся производными от гидразина жидкими ве­

ществами при нормальных условиях. Эти горючие имеют низкую температуру плавления, большую стойкость, чем гидразин, и обра­ зуют с моноокисью фтора весьма эффективные топлива, что ука­ зывает на необходимость их подробного изучения и освоения.

Метилгидразин

гигроскопичен, имеет tn„= — 52,4° С,

^кип =

= 87° С

(при

745

мм рт. ст.),

£кР = 257°С,

=75 сипа,

уг =

= 0,876

кг/л,

Qo6p = 292 ккал:кг,

<?исп=209,78 ккал1кг и

QnjI =

= 54,13

ккал/кг.

 

 

 

 

Несимметричный диметилгидразин (димазин) представляет бес­ цветную весьма гигроскопичную легкоподвнжную при нормальных условиях жидкость с аммиачным запахом, растворимую в воде,

спиртах, углеводородах и аминах.

Основные физико-химические характеристики димазина (ДМГ):

молекулярный вес..................................................................

 

60,08

температура плавления, °C...............................................

 

—58

температура кипения, °C..................................................

 

63

удельный вес при 20° С, кг{л..........................................

 

0,795

коэффициент расширения..................................................

 

0,0013

критическая температура, °C...........................................

 

249

критическое давление, апгм..............................................

 

62

вязкость, сантипуазы..........................................................

°C ...

0,586

температура вспышки (в закрытом сосуде),

1,1

теплоемкость при 20° С, ккал/кг °C...........................

 

0,653

теплота образования, ккал'кл.......................

• . . . .

184,75

теплота сгорания, ккал]кг..................................................

 

7900

теплота плавления, ккал!кг...............................................

 

40

теплота образования, ккал/кг...........................................

 

134

теплопроводность при 20° С, ккал[м час °C. ....

0,18

коэффициент поверхностного натяжения, KijM ....

0,0025

12*

180

Гл. 5,- Характеристики топлив ЖРД

 

энергосодержание, ккал/кг..............................................

218

низшая

теплопроводность при сжигании в кислороде

2200

(при 20° С), ккал!кг..................................................

В настоящее время димазин используется в качестве горюче­ го ЖРД, самовоспламеняющегося в смеси с азотной кислотой и ее производными. Его можно использовать и с жидким кислородом;

последние при смешении между собой не самовоспламеняются. Бороводородные горючие. Элементарный бор имеет

низшую теплотворность около 13 670 ккал/кг и образует с водоро­ дом ряд соединений, которые называются боранами. Лучшими из

них являются: диборан (ВгНе—газ), пентаборан (В5Н9—жидкость),

декаборан (ВюНн—твердое вещество) и др.

Низшая теплотворность бороводородных соединений при сжи­ гании в кислороде достигает 16 300 ккал!кг, тогда как у керосинов она равна 10 300 ккал/кг. Поэтому удельная тяга их почти в 1,6 раза больше, чем у керосинов. Диборан и пентаборан в воздухе само­ воспламеняются. При добавлении к ним углерода они стабилизи­

руются в отношении самовоспламенения, но снижают низшую теп­ лотворность до 13 880 ккал/кг. Полученные таким образом углебо-

роводороды принято называть алкиборанами или карборанами. Основные физические свойства упомянутых здесь горючих сле­

дующие:

Горючее

И’Г

7 г)см3

^ПЛ

^кип

при 20° С

°C

°C

 

Керосин

—

0,82

—60

150

Диборан (В2Н6)

27,7

0,42

—165

—92

Пентаборан (В5Н9)

63,2

0,61

—47

60

Декаборан (В10Н14)

122,3

0,97

100

213

Карборан

—

0,82

—

260

Эти горючие во много раз дороже керосина. Кроме того, исполь­ зование их по ряду причин весьма затруднено.

В качестве горючего для ЖРД представляет интерес пентабо­ ран *, являющийся бесцветной токсичной и легкоподвижной жидко­ стью при нормальных условиях с неприятным запахом. При обыч­

ных условиях он может храниться годами. При нагревании медлен­ но разлагается в основном до окиси бора, которая способна вызы­ вать коррозию и создавать осадки, закупоривающие проточные сечения форсунок, что очень затрудняет его использование. Пентаборан можно использовать в качестве присадки к другим горючим,

а также для отработки неустойчивых процессов сгорания в ЖРД

1 Экспресс-информация АН СССР, вып. 9, АДС—37, 1959.

§ 11. Характеристики окислителей горючих ЖРД

181

аминов и производных гидразина в сочетании с моноокисью фтора или фтороаммиачных топлив.

Из топлив на основе бора наиболее приемлемой следует считать суспензию его в керосине, немногим уступающую по энерговыделе­

нию смеси с пентабораном, но значительно более удобную в экс­

плуатации.

Использование в качестве горючих кремневодородов и трисила­ мина S13H9N (самовоспламеняющаяся на воздухе легкоподвижная

бесцветная жидкость) из-за трудности получения их в эксплуатации '

не оправдывается.

Рассмотрение теплового эффекта существующих элементарных горючих с наиболее эффективными окислителями позволяет сде­

лать вывод, что наиболее теплотворными из них являются водород, литий, бериллий, бор, углерод, натрий, алюминий, магний, кремний, фосфор, сера, калий и кальций. Причем расчеты показывают, что наиболее эффективными элементами среди них являются водород,

литий, бериллий и бор, при сгорании которых в жидком фторе мож­ но увеличить дальность полета снарядов.

Наибольшую удельную тягу (около 400 —кг тяги— ) раз-

кг топлива\сек

вивают топлива фтороводород и фторолитий. Повышением давле­ ния в камере сгорания при оптимальном коэффициенте избытка

окислителя и перерасширении газов в сопле (фториды металлов находятся в твердом состоянии, а фториды металлоидов — в газо­

образном) за счет этих топлив можно получить удельную тягу в пу-

.гг. кг тяги

стоте около 450 ------------------ , что, видимо, является достижимым

кг топлива] сек

пределом для химических источников энергии реакций окисления. Хотя применение малодоступных и дорогих твердых горючих элементов в ЖРД технически возможно и наиболее целесообразно в виде суспензий в керосине, аминах, гидразине и его производных, однако практическое использование их в настоящее время сомни­ тельно из-за большой вязкости, недостаточной стабильности (обра­ зуются сгустки) и относительно высокой температуры сгорания, затрудняющих эксплуатацию и охлаждение двигателя. Вследствие большой вязкости суспензий перепад давления в форсунках каме­ ры сгорания при прочих равных условиях должен быть в 3—6 раз

больше, чем при керосине.

Не исключено применение некоторых металлов и металлоидов для активации горючих или обеспечения химического зажигания

основного топлива при запуске двигателя.

§ 11. Основные характеристики окислителей горючих ЖРД

Окислителями называют вещества, в которых содержится по весу преобладающее количество окисляющих элементов (Ог, Оз, Н2О2 и др).

182 Гл. 5. Характеристики топлив ЖРД

Из всех потенциально возможных окислителей техническое зна­ чение могут иметь лишь те из них, коюрые при достаточной эффек­

тивности взаимодействия с горючим оказываются распространен­

ными и доступными для применения.

К числу главнейших окислителей относятся элементарные окис­ лители — фтор, кислород, хлор и другие сложные окислители,

представляющие собой соединения друг с другом кислорода, фто­ ра, хлора, азота в различных сочетаниях, некоторых соединениях

• их с горючими элементами (углеродом, водородом, серой и т. п.),

а также растворы окислителей друг в друге.

Существующие окислители горючих ЖРД можно разделить по

ряду следующих характерных признаков.

1.По физическому состоянию при нормальных условиях — на жидкие, газообразные и твердые окислители.

2.По окислительной основе — на окислители:

а) кислородные — жидкий кислород, его аллотропические видо­ изменения и соединения с горючими элементами;

б) азотные окислы и окислители, содержащие окислы азота или являющиеся их производными;

в) фторные — фтор, фториды кислорода, хлора, азота и другие

фторсодержащие соединения; г) хлорные — хлор, окислы хлора и окислители, содержащие

окислы хлора или являющиеся их производными.

Растворы различных окислителей друг в друге можно относить к одной из перечисленных выше групп подразделения окислителей по окислительной-основе в зависимости от того, какие окислители являются наиболее характерными в химическом отношении.

Впорядке убывающей активности в химических реакциях су­ ществующие наиболее эффективные элементарные окислители рас­

полагаются в ряд: фтор, кислород, хлор, бром и иод. До настоящего времени в ЖРД применяется лишь небольшое число окислителей.

Втабл. 5. 15 приведены физико-химические характеристики наи­

более эффективных окислителей, а в табл. 5. 16 — низшие стехиоме­ трические теплотворности толуола с этими окислителями. При вы­

числении теплотворности на основе сжиженных окислителей учтена

теплота их испарения и подогрева до нормальной температуры.

В табл. 5. 17 приведен элементарный состав рассматриваемых

окислителей. Из этой таблицы видно, что азотная кислота, перекись водорода, хлорная кислота и тетранитрометан содержат в себе го­ рючие элементы.

Ниже приведены краткие сведения об основных свойствах рас­ сматриваемых окислителей, имеющих первостепенное значение при их эксплуатации.

Азотная кислота в чистом виде представляет бесцветную ядови­

тую гигроскопическую жидкость, дымящуюся на воздухе, с сильно раздражающим запахом. Вследствие применения двуокиси азота она имеет окраску от желтой до бурой. При попадании на кожу

Источник: https://tut-files.ru/previewfile/124647