|
|
$ 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