198 Гл. 5< Характеристики топлив ЖРД
скорость же равновесного истечения при степени расширения в соп
ле 100 : 1 может быть порядка 15 000 м)сек.
Разложить молекулярный водород или азот на атомы можно- в высокотемпературном электрическом поле с последующим быст рым замораживанием их до температуры, близкой к абсолютному
нулю (5—30° К), до начала рекомбинации, так как в незаморожен
ном состоянии атомарные газы могут существовать меньше тысяч ных долей секунды. Полученные таким образом свободные радика лы могут сохраняться до нескольких часов. Вообще же разработка надежных методов стабилизации свободных радикалов требует еще многих исследований.
Для практического использования свободных радикалов в ЖРД требуется концентрация их не менее 10%.
Возможность получения и хранения свободных радикалов в ши
роких масштабах пока еще проблематична вследствие их чрезвы чайной дороговизны и опасности работы с ними.
Вероятно, свободные радикалы невозможно использовать в ка честве топлива до тех пор, пока не будут найдены пути их стабили зации, исключающие применение черзвычайно низких температур и
очень низких давлений, при которых их можно получить. Трудность использования свободных радикалов в ЖРД состоит еще и в под боре материалов для камеры, способных выдерживать огромные температуры их рекомбинации.
§ 13. Способы повышения качества топлив ЖРД
Эксплуатационные качества компонентов топлива можно улуч шить путем:
1)понижения температуры плавления легко затвердевающих компонентов топлива добавлением к ним других веществ;
2)химической очистки компонентов топлива от нежелательных
примесей;
3)стабилизации нестойких компонентов топлива от их разло
жения или самовоспламенения при соприкосновении с атмосфер ным воздухом;
4)активизации компонентов топлива введением в них специаль
ных катализаторов (веществ) воспламенения и процесса горения;
5)ингибирования компонентов топлива с целью снижения их
коррозионной агрессивности к металлам двигателя;
6)введения суспензий металлов и растворов высокоэффектив ных примесей с целью повышения удельного веса и удельной тяги;
7)переохлаждения компонентов топлива перед заправкой в топ ливные баки с целью повышения их удельного веса, а следователь но, более плотного заполнения баков компонентами топлива и др.
Подавляющее число самовоспламеняющихся компонентов топ лива характеризуется значительной задержкой воспламенения как окислителя, так и горючего.
Примерами активизации окислителей являются:
§ 14. Топливо для проектируемого двигателя |
199 |
1)растворы в азотной кислоте четырехокиси азота до 30—35% по весу и пятиокиси азота;
2)растворы в азотной кислоте до 25% хлорной кислоты
70%-ной концентрации по весу;
3) раствор в азотной кислоте до 4% хлорного железа (FeCl3), вследствие чего также понижается температура плавления окисли теля (с 42° С азотной кислоты до 50° С образованного раствора
окислителя);
4)раствор в азотной кислоте фтористого водорода (HF), что снижает коррозию сплавов алюминия и нержавеющих сталей;
5)раствор в азотной кислоте до 10—50% серной кислоты (H2SO4), что уменьшает задержку воспламенения горючего и одно
временно снижает агрессивность окислителя к металлам двигателя; 6) раствор в азотной кислоте около 0,5% по весу марганцово кислого калия (КМПО4); такое облагораживание азотной кислоты
нужно производить перед подачей ее в камеру сгорания, так как через 2—3 мин. активность ее снижается (по этой причине требует ся установка на аппарате специального прибора активизатора).
В число катализаторов процессов горения, добавляемых к ком понентам топлива, также могут входить малотеплотворные элемен ты, например железо, медь, кадмий, натрий и др.
Охлаждая высококипящие и низкокипящие окислители и горю чие до температуры, при которой они еще сохраняют жидкое состоя ние и допустимую вязкость, можно существенно повысить их удель
ный вес. В случае низкокипящих компонентов, кроме того, можно резко снизить потери дорогостоящих компонентов топлива вслед ствие испарения, а также улучшить безопасность их эксплуатации.
§ 14. Выбор компонентов топлива для проектируемого двигателя
Рациональный выбор компонентов топлива для проектируемого ЖРД является весьма важным этапом его создания. Вид топлива,
как уже отмечено выше, обусловливает тип двигателя, его конструк цию, экономичность и надежность работы. Во всех случаях топливо необходимо выбирать применительно к конкретным условиям ис пользования двигателя.
При выборе компонентов топлива для проектируемого двигате ля в первую очередь необходимо учитывать следующие факторы.
Назначение боевого аппарата
Условия эксплуатации двигателя и реактивных снарядов тре
буют от топлив физической и химической стойкости (что позволит хранить компоненты топлива продолжительное время без особыхпредосторожностей), высокой температуры кипения и низкой тем пературы застывания. Топливо не должно быть ядовитым и не дол
200 Гл. 5. Характеристики топлив ЖРД
жно быть агрессивным по отношению к материалам двигателя.
Кроме того, топливо должно быть дешевым.
Для зенитных снарядов топливо должно предварительно заправ ляться в баки и храниться в них длительное время. Такие свойства компонентов топлива, как быстрая испаряемость, коррозионное
действие на металл баков, склонность к разложению и др., не по зволяют использовать ряд компонентов для указанных целей. Ис пользование в двигателях в качестве окислителя сжиженных газов вызывает замерзание клапанов, затвердевание уплотняющих рези новых манжет и резино-металлических деталей.
Сжиженные окислители успешно могут быть использованы в двигателях дальних снарядов, старт которых обычно производится из тыла, где имеется возможность перед стрельбой заправлять топ ливные баки быстро испаряющимися компонентами топлива.
В настоящее время для дальнобойных снарядов применяется
жидкий кислород, чему особенно способствует его относительная доступность и дешевизна.
Кислород можно производить на месте при помощи передвиж ных установок, в силу чего он дешевле других окислителей. В тща тельно изолированных танках он может храниться длительное вре мя, не создавая опасности самодетонации или значительного вы кипания. Он нетоксичен и не самовоспламеняется в присутствии органических веществ.
Однако низкая температура жидкого кислорода, как и при при менении других низкокипящих окислителей (фтора, окислов фтора,
трифторида азота, озона), накладывает некоторые ограничения на выбор материалов для двигателя в связи с явлением хладнолом кости. При температуре жидкого кислорода сопротивление удару
становится недопустимо низким для углеродистых и среднелегиро ванных сталей, для магния, цинка и их сплавов.
Практические возможности экономического
использования топлива в двигателе
Некоторые теплоэффективные топлива в настоящее время прак тически не применяются вследствие развиваемых ими в камере
сгорания двигателя весьма высоких температур, при которых не
возможно целесообразно и надежно охладить двигатель. По этой причине пока широко не используется, например, керосин с жидким кислородом и другие комбинации горючих и окислителей.
В частности, использование фторных окислителей требует успеш ного решения труднейшей проблемы охлаждения камеры двигате
ля при температуре продуктов сгорания около 4000—4500° К.
Пары компонентов топлива, отвечающие требованию экономич ности работы двигателя, в некоторых случаях могут оказаться не пригодными из-за несоответствия их каким-либо другим требова ниям, предъявляемым к топливу ЖРД.
§ 14. Топливо для проектируемого двигателя |
20Г |
Термодинамические характеристики различных топлив необхо димо сравнивать при одинаковых и вполне определенных условиях их сгорания в двигателе.
Динамика процесса горения данного топлива в двигателе
Одним из основных параметров, характеризующих ту или иную пару компонентов топлива, является экономичность работы двига теля на этих компонентах, обычно характеризуемая внутренним к. п. д. или удельной тягой.
Ряд соображений практического характера часто заставляет применить не те пары компонентов топлива, которые с чисто термо
динамической точки зрения являются наилучшими, а только те из них, которые практически наиболее приемлемы.
Топливо должно обеспечивать возможность получения доста точно устойчивого процесса горения в камере без пульсаций дав ления продуктов сгорания, вызывающих иногда недопустимые ви брации двигателя.
Для обеспечения достаточно устойчивой работы двигателя и предупреждения сильно выраженного пульсационного режима го
рения топлива в камере сгорания необходимы определенные усло
вия, связанные, как правило, с усложнением и утяжелением кон
струкции двигателя, особенно его системы топливоподачи. Это об стоятельство в ряде случаев вынуждает применять такие компонен ты топлива, которые обеспечивают устойчивость процесса сгорания в двигателе как при дросселировании, так и при форсировании его работы.
Требования, предъявляемые к топливу ЖРД
Компоненты топлива могут быть удачно выбраны и рационально
использованы только в том случае, если будут учтены присущие им характерные свойства, эксплуатационные и другие особенности.
Наибольшие трудности представляет выбор окислителя для го рючего, так как многие известные окислители мало активны в хи мических реакциях, неустойчивы, агрессивны к материалам двига теля, ядовиты и дороги.
Весьма важными факторами, определяющими эксплуатацион ную пригодность компонентов топлива, являются их температуры застывания, кипения и горения, теплоемкости, теплопроводности и
удельные веса. Весьма существенна возможность использования
одного или обоих компонентов топлива для охлаждения камеры, сгорания и сопла двигателя.
Топливо, обеспечивающее относительно небольшую удельную тя
гу, но обладающее большим удельным весом, по суммарной харак теристике (эффективности полета снаряда) в некоторых случаях.