Коэффициент избытка окислителя

Жидкие ракетные топлива

По назначению жидкие ракетные топлива (ЖРТ) подразделяют на основные, пусковые и вспомогательные. Основные предназначены для создания тяги маршевых двигателей, т. е. разгона полезной нагрузки, а также двигателей управления боевой ступенью или управления космическим аппаратом. Пусковое топливо используют в момент запуска двигателя, если основные компоненты не способны к самовоспламенению при контакте. На продуктах сгорания или разложения вспомогательных топлив работают турбины, рулевые сопла, т. е. агрегаты, не создающие основной тяги двигателя.

По числу компонентов различают одно-, двух- и трехкомпонентные топлива. Наибольшее распространение нашли двухкомпонентные топлива. Трехкомпонентные состоят из окислителя, горючего и компонентов с малой молярной массой (жидкий водород, метан) - удельный импульс увеличивается ввиду роста газовой постоянной продуктов сгорания, но усложняется конструкция двигателя, увеличивается его масса.

Двухкомпонентные топлива можно классифицировать по родственным окислителям, именно окислитель определяет особенность топлива. Различают кислородные, азотнокислые, азоттетроксидные и фторные топлива.

Рассмотрим соотношение компонентов в двухкомпонентном топливе. Горючее содержит преимущественно элементы с электроположительной валентностью (С, Н, AI, В и др.), а окислитель - с электроотрицательной валентностью: О, CI, F и др. Окислитель и горючее применяют в определенном соотношении. Для обеспечения полного сгорания одного моля горючего - полного замещения валентностей горючих элементов валентностями окислительных элементов - требуется молей окислителя. Величину (молей окислителя/моль горючего) называют мольным стехиометрическим соотношением компонентов топлива.

Число свободных (незамещенных) электроположительных валентностей в одной молекуле горючего составляет, число свободных электроотрицательных валентностей в одной молекуле окислителя -, где v_i - валентность, - число атомов химического элемента в условной молекуле горючего и окислителя.

Тогда. (3.4)

Значению соответствует массовое стехиометрическое соотношение (кг окислителя/кг горючего) и объемное стехиометрическое соотношение (м³ окислителя/м³ горючего) компонентов топлива. Из определения следует, что, (3.5)

Рассмотрим пример вычисления стехиометрического соотношения компонентов топлива. Значение валентности некоторых элементов приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Элемент	О	Н	С	N	F	Al
	-2				-1

Топливо: окислитель - азотная кислота, молярная масса = 63,

горючее - этиловый спирт, молярная масса =46.

,, по (3.4) и (3.5) получим:

,.

Действительное соотношение компонентов в топливе (или) отличается от стехиометрического. Отношение величин или соответствующее стехиометрическому значению называют коэффициентом избытка окислителя:

(3.6)

Рассмотрим интервалы, используемые в ЖРД.

Рис 3.3 Зависимость температуры сгорания от

Интервалы изменения в агрегатах ЖРД:

<1 0,1-0,25 - отрицательный кислородный баланс - жидкостные генераторы газа (ЖГГ), жидкостные ракетные двигатели малой тяги (ЖРДМТ),

1,0 (0.5 - 0.95) - маршевые двигатели,

>1 10-20 - ЖГТ (положительный кислородный баланс).

В соответствии с реакционной способностью окислителя и горючего топлива разделяют на самовоспламеняющиеся и несамовоспламеняющиеся. Самовос-пламеняющиеся компоненты топлива во всем диапазоне эксплуатационных температур и давлений реагируют при контакте в жидкой фазе с выделением теплоты. Разогрев горючей смеси инициирует предпламенные экзотермические реакции, которые разогревают топлива до температуры кипения и выше, и происходит воспламенение. Характеризуются временем задержки воспламенения - временем от момента соприкосновения горючего и окислителя в жидкой фазе до появления пламени.

При несамовоспламеняющихся топливных парах специальной системой в момент запуска двигателя создается воспламенительный факел. От него воспламеняются первые порции топлива, поступающие в камеру, а последующие поджигаются продуктами сгорания предшествующих. По интервалу температур сохранения жидкого состояния топлива или их компоненты подразделяют на высококипящие и низкокипящие. Высококипящие - это компоненты, температура кипения которых выше 298 К. При эксплуатации на земле в обычных условиях они представляют собой жидкость и хранятся без потерь на испарение (или с малыми потерями). Низкокипящие компоненты при атмосферном давлении имеют температуру кипения ниже 298 К и находятся в газообразном состоянии.

Среди низкокипящих выделяют группу криогенных компонентов, температура кипения которых ниже 120 К. Такой компонент нельзя хранить как жидкость без принятия специальных мер. Криогенными являются сжиженные газы: кислород, водород, фтор, метан, пропан и др. Для уменьшения потерь на испарение и увеличения плотности возможно применение криогенного компонента в шугообразном (от англ. sugar) состоянии - в виде подвижной двухфазной смеси твердой и жидкой фаз этого компонента.

По физической и химической стойкости в течение длительного времени различают топлива длительного хранения или стабильные и топлива кратковременного хранения. Компоненты стабильных топлив имеют при максимальной температуре в условиях эксплуатации давление насыщенного пара ниже допустимого по условиям прочности баков, допускают хранение в баках ракеты без существенных потерь.

Окончательно сформулируем требования к жидким топливам:

1. Высокая баллистическая эффективность - большой удельный импульс и большая плотность топлива.

2. Благоприятные экологические свойства - нетоксичность компонентов и продуктов сгорания.

3. Неагрессивность компонентов топлива - отсутствие коррозионного действия на конструкционные металлы и разрушающего действия на неметаллические материалы.

4. Высокая температура кипения, низкая температура замерзания компонентов.

5. Малое значение вязкости (для условий подачи и смесеобразования), большая теплоемкость и теплопроводность компонентов (важно для организации тепловой защиты).

6. Высокая химическая и физическая стабильность компонентов в условиях хранения и применения ракеты.

7. Низкая стоимость компонентов - для справки: тонна жидкого водорода может стоить 10 000$.

8. Взрывобезопасность.

9. Продукты сгорания должны находиться в камере в газообразном состоянии. Ни одно топливо всем этим требованиям удовлетворить не может и проектировщики находят компромиссные решения в соответствии с целями создания ракетного комплекса путем проработки различных вариантов рецептур и имеющегося опыта создания и эксплуатации изделий.

3.3.2. Основные характеристики жидких топлив

Рассмотрим типичные криогенные окислители:

Кислород. Прозрачная голубоватая жидкость, имеет следующие физико-химические характеристики: температура кипения 90 К, плотность при этой температуре – 1140 кг/м³, температура плавления 54 К, критические параметры - температура 154 К, а давление 4,9 МПа. Энергетические возможности двух топлив с типичными для кислорода горючими: углеводородным Т-1 (керосин) и жидким водородом показаны в таблице 3.2 (здесь и в других таблицах значения удельного импульса вычислены для стандартных условий:,

p_a = 0,1 МПа. Плотность топлив определена по формуле, где, - плотность и доля i-ого компонента топлива.

Таблица 3.2

Горючее			, м/с	, кг/м^3
Т-1	3,35	0,8
		0,5

Топливо кислород + водород обладает наибольшим импульсом, имеет меньшую температуру продуктов сгорания, что важно для организации тепловой защиты, но уступает по плотности. Ни с одним горючим кислород не дает самовоспламенения. Оба топлива нашли применение в ДУ ракет-носителей среднего и тяжелого класса.

Топливные баки, арматуру и собственно двигатели для кислорода выполняют из алюминиевых сплавов, латуней и нержавеющих сталей.

Фтор. Желтая прозрачная жидкость с удушливым запахом, имеет характеристики: температура кипения 85 К, плотность при этой температуре -1510 кг/м³, температура плавления 53 К, критические параметры - температура 144 К, а давление 5,4 МПа. Самый химически активный окислитель, взаимодействует со всеми элементами, задержка самовоспламенения с горючими не превышает 0,0003 с.

Энергетическая эффективность показана в таблице 3.3 по аналогии с кислородом.

Таблица 3.3

Горючее			, м/с	, кг/м^3
Т-1	8,05	0,3
		0,4

Удельный импульс топлива фтор + водород больше, чем у пары кислород + водород, но существенно выше температура продуктов сгорания ввиду низкого значения их теплоемкости и меньшей склонности к диссоциации. Фтор является чрезвычайно опасным в обращении продуктом - ПДК = 0,00001 мг/л, все работы с ним ведутся в герметичном защитном костюме и в изолирующем противогазе.

Все высококипящие окислители (> 293 К) содержат наряду с окислительным элементом (кислородом) и элементы-носители (азот и водород).

Азотная кислота. Прозрачная желтоватая жидкость, имеет характеристики: температура кипения 357 К, плотность при Т= 293 К - 1510 кг/м³, температура плавления 231 К. С рядом горючих (аммиак, амины, несимметричный диметилгидразин) дает самовоспламенение с малым периодом задержки. Энергетическая эффективность топлива на основе азотной кислоты невелика, как показано в таблице 3.4

Таблица 3.4

Горючее			, м/с	, кг/м^3
Т-1	5,35	0,9

Азотная кислота является высокоопасной в обращении вследствие токсичного действия оксидов азота.

Азотный тетроксид (). Темно-бурая жидкость, «дымящая» на воздухе, имеет характеристики: температура кипения 294,5 К, плотность при Т= 293 К – 1450 кг/м³,температура плавления 262 К. С горючими на основе аминов и несимметричным диметилгидразином обеспечивает самовоспламенение.

Энергетические возможности окислителя показаны в таблице 3.5

Таблица 3.5

Горючее			, м/с	, кг/м^3
T-1 (керосин)	4,9	0,85
Несимметричный диметилгидразин	3,07	0,9
Гидразин	1,44	0,95

Топливо AT + гидразин по значению удельного импульса приближается к топливу кислород + керосин и превосходит его по значению плотности. Но в отечественном ракетостроении этот окислитель нашел значительное применение в сочетании с горючим - несимметричным диметилгидразином. По ряду критериев: баллистическая эффективность, самовоспламеняемость, приемлемые значения температуры кипения и замерзания, возможность многолетнего хранения ракеты в заправленном состоянии такое топливо оказалось лучшим. Двигательные установки ракеты «Протон» созданы еще в 60-е годы именно на этом топливе, до сих пор ракета является самым мощным носителем на высококипящих компонентах.

Теперь обратимся к углеводородным горючим. Таковыми являются индивидуальные вещества или смеси различных по строению веществ, практически полностью состоящие из двух элементов: углерода и водорода. Обычно применяют смеси, получаемые прямой перегонкой нефти и переработки ее отдельных фракций. Горючие как индивидуальные вещества являются синтетическими продуктами.

Элементарный состав горючего: С, Н, S, О, N. Сера, кислород, и азот присутствуют в малых количествах, не оказывают существенного влияния на энергетические показатели топлива. Но сера и ее соединения сильно влияют на эксплуатационные характеристики горючего - оказывают коррозирующее действие и способствуют смолообразованию в горючем.

Горючее Т-1. Бесцветная жидкость с запахом нефтепродуктов, получаемая прямой перегонкой нефти малосернистых сортов. Состав горючего выражает условная формула. Плотность при Т = 293 К - 810 кг/м³. Применяется обычно в паре с жидким кислородом. Эффективность показана в таблице 3.2. Горючее не самовоспламеняется ни с чем, кроме фтора.

Легкие парафины (формула ). Из всех соединений водорода самым «водородосодержащим» является метан и его ближайшие гомологи в ряду парафинов. Эти продукты стабильны, неагрессивны, нетоксичны и дешевы в получении. Свойства их показаны в таблице 3.6.

Таблица 3.6

Продукт	Т кип, К	Т пл , К	, кг/м^3	Ткр , К	МПа
Метан,	111,4	90,5			4,64
Этан,	184,5				4,91
Пропан,					4,36

Энергетические возможности этих горючих в паре с жидким кислородом показаны в таблице 3.7.

Таблица 3.7

Горючее			, м/с	, кг/м^3	, К
Метан	4,9	0,8
Этан	3,07	0,8
Пропан	1,44	0,8

В настоящее время приступили к реализации криогенных углеводородных горючих в двигателестроении - они доступны, дешевы, могут долго храниться в условиях космического пространства и имеют высокие значения удельного импульса.

Давно рассматривается применение в качестве горючего металлов Be, Li, A1 и их гидридов. При горении этих металлов в кислороде и фторе на единицу массы продуктов сгорания выделяется больше теплоты, чем при горении водорода. Но трудности подачи металлов в камеру сгорания и возникающие дополнительные потери удельного импульса из-за двухфазности продуктов сгорания (газ + жидкие частицы окислов металлов) пока исключают реализацию жидких топлив с добавками металлов в практике двигателестроения.

Можно считать, что в распоряжении разработчиков ракет и их двигательных установок имеется широкий набор компонентов топлив, позволяющий решить задачи создания новых ракетных комплексов для исследования и эксплуатации космического пространства.

Дата добавления: 2014-01-11