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

188 Гл. 5. Характеристики топлив ЖРД

ность имеют топлива на основе фтора, окиси и перекиси фтора и озона.

Наибольшее газообразование и наименьшую температуру горе­ ния имеет топливо на основе концентрированной перекиси водорода,, а за ней следует топливо на основе азотной кислоты (см. табл. 5.16). Не отличаются существенно газообразованием и температурой го­

рения топлива на основе хлорной кислоты, тетранитрометана и четырехокиси азота.

Теплотворность этих топлив практически также одинакова. Бо­ лее высокую температуру горения имеет топливо на основе кисло­ рода и особенно озона. Очевидно, значительная эффективность этих топлив и объясняется высокой температурой их горения, что весьма невыгодно для эксплуатации двигателя (его охлаждения). Это так­ же относится и к фтору и фторсодержащим окислителям. Преиму­ щество фтора перед кислородом состоит в большой активности его

в реакциях и летучести фторидов при сравнительно большей теп­ лотворности.

Очевидно, -что при одинаковой теплотворности преимущество

будет за тем окислителем, на основе которого при прочих равных условиях получается топливо с наибольшим газовыделением и с наименьшей температурой горения. Однако при этом не следует также забывать и другие свойства этих окислителей, оказывающие существенное влияние на их выбор и использование.

Содержание того или другого окислителя в топливных смесях

обычно велико, что создает трудности при смешивании его с горю­ чим в камере ЖРД. В этом отношении выгоднее низкокипящие окислители, которые легко испаряются и быстро заполняют объем камеры сгорания.

Эффективность окислителей в значительной мере зависит от по­ добранного к ним горючего. Для предварительной оценки окисли­ теля, горючего и топлива в целом необходимо учитывать их удель­ ный вес, удельную тягу и относительный запас топлива в баках снаряда.

Расчеты показывают, что в случае применения в качестве го­

рючего керосина рассматриваемые окислители в порядке возрастаю­ щей относительной эффективности располагаются в ряд: азотная ки­ слота, четырехокись азота, перекись водорода, хлорная кислота, тетранитрометан, трифторид азота, нитрат фтора, фтор, озон, окись фтора и перекись фтора. При применении этих окислителей с дру­

гими горючими картина их эффективности для керосина может

быть несколько другой.

Углеводородные топлива на основе безводных азотной кислоты

фтор и нитрат фтора с углеводородами обеспечивают относитель­ но большую, но практически одинаковую удельную тягу (с кероси-

Из числа жидких при нормальной температуре окислителей наибольшую ценность представляет азотная кислота, так как она является наиболее доступным и дешевым продуктом химической

промышленности.

В двигателях она удовлетворительно срабатывает с окисла ми азота и без них, как с самовоспламеняющимися при контакте, так и с несамовоспламеняющимися горючими.

Основными недостатками азотной кислоты являются:

в герметично закрытых баках соответствующих аппаратов при тем­ пературе 50—60° С;

ной кислоты), исключающая или значительно осложняющая при­

Для повышения качества азотной кислоты целесообразно раст­ ворять в ней более эффективные высококипящие окислители — четы-

рехокись и пятиокись азота и хлорную кислоту.

При нормальной температуре насыщение четырехокисью азот­ ной кислоты наступает при 52—54% по весу. Максимум удельного веса раствора соответствует 42% четырехокиси азота в азотной кислоте, но этот раствор имеет температуру замерзания около

—20°С и низкую температуру кипения (29° С). При уменьшении

содержания в растворе четырехокиси азота понижается температу­ ра замерзания, но температура кипения остается почти неизменной

(табл. 5. 18).

Для получения раствора с температурой замерзания выше

—40° С содержание четырехокиси азота в азотной кислоте не дол­ жно превышать 35% по весу. При этом вязкость раствора при тем­

фективности топлива относительно азотной кислоты на 3—5%.

Основные характеристики окислителя 80% HNO3 98%-ной

+20% N2O4:

1) физические свойства при 20° С: удельный вес 1,600 кг/л; ки­ нематическая вязкость 5,8 сст; теплоемкость 0,48 ккал/кг °C;

Таблица 5.18

Характеристики растворов в азотной кислоте четырехокиси азота при нормальном давлении

окислителей относятся низкая температура кипения у четырехоки­ си азота (-(-22,15° С) и высокая температура застывания у тетра­

нитрометана (-(-13,8° С). Поэтому практически их можно исполь­ зовать при охлаждении или нагревании соответственно перед за­ правкой в баки снаряда либо в виде растворов друг в друге и в

некоторых других окислителях. Применение тетранитрометана в чистом виде также ограничено его взрывчатостью (скорость рас­

пространения детонации достигает 5800 м[сек}.

Тетранитрометан может служить добавкой к горючим для уве­ личения полноты сгорания и удельного веса, что может увеличить Руд и эффективность топлива на основе жидкого кислорода или

кислородных соединений. Содержание его в горючих может дости­ гать больших значений и лимитируется взрывчатостью раствора

в рабочем интервале температуры (взрывные свойства не обнару­

живаются до 5% тетранитрометана в керосине и до 60% — в бен­ золе и этиловом спирте).

Основным преимуществом гидроперекиси водорода является ее низкая температура горения, а хлорной кислоты — большой удель­ ный вес и значительная активность в реакциях (задержка воспла­ менения в 10 раз меньше, чем при азотной кислоте). Однако кон­ центрированная перекись водорода имеет высокую температуру за­ мерзания (—9,4° С при 90%-ной концентрации по весу), а хлорная кислота концентрации свыше 72% легко взрывается.

Введение в азотную кислоту пятиокиси азота (N2O5) в количе­ стве до 30% понижает ее температуру застывания и увеличивает удельный вес раствора, однако при этом значительно снижается

температура кипения. Кроме того, раствор 20—30%-ной весовой

концентрации пятиокиси в азотной кислоте недостаточно стабилен при длительном хранении, если температура окружающей среды выше нуля.

Растворы хлорной кислоты в азотной также увеличивают удель­ ный вес, активность такого сложного окислителя и теплотворность топлив на его основе, но эти растворы еще недостаточно изучены.

при этой концентрации температуру кристаллизации —40° С.

Применению жидкого кислорода способствуют его относитель­ ная доступность и дешевизна. В жидком виде он составляет не ме­ нее 99% по объему от общей массы. В жидком кислороде не до­ пускаются механические примеси, ацетилен, вода, масло и т. п.;

содержание углекислоты в 1 л жидкого кислорода не должно пре­

вышать 8 см3.

Из окислителей, не содержащих фтор, наиболее эффективным является озон в чистом виде и в качестве присадки его к жидкому

кислороду, но практически применение его из-за неустойчивости и взрывоопасности пока затруднено. Очевидно, добавка к жидкому

кислороду озона меньше 20% по весу не дает существенного уве­ личения эффективности такого раствора.

Основным преимуществом фтора перед кислородом являются его большая активность в реакциях окисления и значительная ле­ тучесть фторидов. Но агрессивность фтора пока затрудняет его

использование в качестве окислителя горючих ЖРД.

Большой интерес представляет использование окиси и перекиси фтора, температура кипения которых выше и удельная тяга боль­ ше, чем топлива на основе жидкого кислорода. С одинаковым го­ рючим эти окислители имеют почти ту же эффективность. Фтор и фториды кислорода, видимо, являются наиболее эффективными из рассматриваемых нами окислителей. Фтор стабильнее озона.

’ На основании изложенного выше, можно сделать следующее заключение.

1.По ряду качеств в настоящее время наиболее подходящими для ЖРД являются окислители: азотная кислота, жидкий кисло­ род, окись фтора и фтор.

2.Перекись водорода может применяться в виде высококонцен­ трированных водных или иных растворов, если они будут стабили­ зированы, доступны и дешевы.

3.Тетранитрометан, обладающий многими эксплуатационными

качествами (большим удельным весом, повышенной теплотвор­