Ракетное топливо

Рак е тное т о пливо, вещество или совокупность веществ, представляющих собой источник энергии и рабочего тела для ракетного двигателя (РД). Ракетное топливо должно удовлетворять следующим основным требованиям: иметь высокий удельный импульс (тяга РД при расходе топлива 1 кг/сек; см. Реактивный двигатель), высокую плотность, требуемое агрегатное состояние компонентов в условиях эксплуатации, должно быть стабильным, безопасным в обращении, нетоксичным, совместимым с конструкционными материалами, иметь сырьевые ресурсы и др.

Известны ракетные топлива химические и нехимические: у первых необходимая для работы РД энергия выделяется в результате химических реакций, а образующиеся при этом газообразные продукты служат рабочим телом, т. е. обеспечивают при расширении в сопле РД преобразование тепловой энергии химических превращений в кинетическую энергию потока, истекающего из сопла РД; у вторых энергия внутриядерных превращений или электрическая энергия (например, в ядерном или электрическом РД) передаётся специальному веществу, являющемуся только рабочим телом или его источником. Удельный импульс нехимических ракетных топлив зависит от термодинамических свойств и допустимой рабочей температуры рабочего тела, затрат энергии на создание тяги. Принципиально же по удельному импульсу эти ракетные топлива могут значительно превосходить химические.

Большинство существующих РД работает на химических ракетных топливах. Основная энергетическая характеристика (удельный импульс) определяется количеством выделившейся при реакции окисления, разложения или рекомбинации теплоты (теплотворностью ракетного топлива) и химическим составом продуктов реакции, от которого зависит полнота преобразования тепловой энергии в кинетическую энергию потока (чем ниже молекулярная масса, тем выше удельный импульс).

По числу раздельно хранимых компонентов химические ракетные топлива делятся на одно-(унитарные), двух-, трёх- и многокомпонентные, по агрегатному состоянию компонентов — на жидкие, твёрдые, гибридные, псевдожидкие, желеобразные и в том числе тиксотропные, т. е. загущенные желеобразные, вязкость которых резко снижается при наличии градиента давления. Агрегатное состояние определяет конструкцию РД, его характеристики и область рационального применения. Наибольшее применение получили жидкие и твёрдые ракетные топлива.

Все компоненты жидкого ракетного топлива в условиях эксплуатации находятся в баках ракеты и раздельно подаются (насосами или вытеснением сжатым газом) в камеру сгорания РД (см. также Газогенератор жидкостного ракетного двигателя). К жидким топливам предъявляются следующие специфические требования: возможно более широкий температурный интервал жидкого состояния, пригодность, по крайней мере, одного из компонентов для охлаждения жидкостного РД (термическая стабильность, высокие температура кипения и теплоёмкость), возможность получения из основных компонентов (окислителя и горючего) генераторного газа высокой работоспособности, минимальная вязкость компонентов и малая зависимость её от температуры. Наиболее широко применяют двухкомпонентные жидкие ракетные топлива, состоящие из окислителя и горючего (см. табл.). Для улучшения характеристик РД в состав таких ракетных топлив можно вводить различные присадки (как добавки в виде растворов, суспензий или как третий компонент): металлы, например Be и Al, а также В, и их гидриды для повышения удельного импульса, компоненты для получения генераторного газа (если для этого не пригодны основные компоненты), ингибиторы коррозии (см. Ингибиторы химические), стабилизаторы, активаторы воспламенения, вещества (депрессаторы), понижающие температуру замерзания, и т.п. Окислитель и горючее, вступающие при контакте в жидком состоянии в химическую реакцию и вызывающие воспламенение смеси, образуют самовоспламеняющиеся топлива. Применение таких топлив упрощает конструкцию РД и позволяет наиболее просто осуществлять многоразовые запуски. Ракетно-космическая техника базируется на использовании высокоэффективных жидких ракетных топлив.

Для вспомогательных жидкостных РД и получения генераторного газа, необходимого для привода турбонасосных агрегатов, можно применять однокомпонентные жидкие топлива (перекись водорода, гидразин), выделяющие энергию при разложении.

Твёрдые ракетные топлива представляют собой гомогенную смесь компонентов (баллиститные топлива — см. Баллиститы) или монолитную гетерогенную композицию, т. н. смесевые топлива. Последние могут состоять из органического горючего-связующего (например, каучука, полиуретана, полиэфирной или эпоксидной смолы), твёрдого окислителя (чаще всего перхлората аммония, а также перхлората калия, нитрата аммония и др.) и добавок различного назначения (например, для повышения энергетических характеристик — порошки Al, Mg, Be, В). Горючее-связующее способствует образованию монолитного топливного блока, определяет комплекс физико-химических свойств топлива и способ формования заряда. Основные специфические требования, предъявляемые к твёрдым ракетным топливам: равномерность распределения компонентов и, следовательно, постоянство физико-химических и энергетических свойств в блоке, устойчивость и закономерность горения в камере РД, а также комплекс физико-механических свойств, обеспечивающих работоспособность двигателя в условиях перегрузок, переменной температуры, вибраций.

По удельному импульсу твёрдые ракетные топлива уступают жидким, т.к. из-за химической несовместимости не всегда удаётся использовать в составе твёрдого ракетного топлива энергетически эффективные компоненты.

Основные характеристики некоторых возможных высокоэффективных двухкомпонентных жидких топлив при оптимальном соотношении компонентов (давление в камере сгорания 10 Мн/м 2 , или 100 кгс/см 2 , на срезе сопла 0,1 Мн/м 2 , или 1 кгс/см 2 )

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и .

Требования, предъявляемые к ракетному топливу

Мартенситностареющие стали целесообразно применять, прежде всего, для изготовления изделий, отдельных у лов и конструкций, от которых требуется высокая удельная прочность в сочетании с высокой эксплуатационной надежностью. Такие требования предъявляются к летательным аппаратам разного типа и назначения. В авиационной промышленности мартенситностареющие етали могут быть применены при изготовлении отдельных деталей самолетов и их двигателей, а в ракетной технике — для создания кор-вусов двигателей, работающих на твердом топливе, сосудов вь со-кого давления. [c.104]

Эффективность ДУ с ЖРД возрастает с увеличением удельного импульса двигателей и плотности жидкого ракетного топлива, причем в последнее время предъявляются все большие требования к экологической чистоте как самих компонентов ракетного топлива, так и их продуктов сгорания. В настоящее время жидкий кислород и жидкий водород являются наилуч-щим экологически чистым высокоэффективным жидким ракетным топливом. Однако чрезвычайно низкая плотность жидкого водорода (всего 70 кг/м ) существенно ограничивает возможность его применения на первой ступени совместно с жидким кислородом, но не исключает указанную возможность. Например, топливо (Ог) + (Нг) намечено применять на разрабатываемой в настоящее время японской рн Н-2. [c.407]

В настоящее время РДТТ в ракетной технике находит широкое применение в качестве генератора рабочего газа, используемого в самых разнообразных системах, таких, как вспомогательные силовые установки, сервоприводы, гиросистемы на горячем газе, а также системы наддува, газовой подпитки, разделения ступеней, наддува плавучих спасательных средств. Газогенераторы на твердом топливе часто используются в качестве привода турбин, связанных с бортовыми электрогенераторами [9]. Многие из указанных потребителей рабочего газа предъявляют жесткие требования к постоянству его расхода. Рассмотрим возможные пути решения этой задачи. [c.178]

Требования к металлизации ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ)

1.9. Требования к металлизации ракетных двигателей твердого топлива (РДТТ)

1.9.1. Металлизация РДТТ производится обеспечением непрерывного токопроводящего покрытия на внешние поверхности элементов конструкции составных частей (корпуса, соплового блока и т.п.) РДТТ, выполненных из неметаллических токонепроводящихкомпозиционных материалов.

1.9.2.В зависимости от требований к составным частям изделия (пожаровзрывобезопасность, помехозащищенность от электромагнитного воздействия и др.) и условий его эксплуатации допускается металлизация РДТТ нанесением токопроводящего покрытия в виде полос.

Примеры расчета параметров токопроводящего покрытия в виде продольных полос при металлизации РДТТ приведены в справочном приложении 3.

1.9.3. При металлизации необходимо обеспечить электрическую связь внутренней поверхности раструба соплового блока работающего РДТТ с токопроводящим покрытием корпуса.

Допускается обеспечение контакта производить нанесением токопроводящего покрытия или введением токопроводящего элемента, например, из углепластика или металла, на торцевую поверхность среза раструба соплового блока РДТТ как приведено на черт. 1 справочного приложения 3.

1.9.4. Допускается не наносить токопроводящее покрытие на элементы конструкции составных частей РДТТ, выполненные из композиционных материалов, при условии выполнения неравенства:

(1)

где r — удельное электрическое сопротивление материала элемента конструкции составной части РДТТ, Ом · м;

R_пер — переходное сопротивление между элементами конструкции составных частей РДТТ, Ом;

S — минимальная площадь поперечного сечения стенки составной части РДТТ, м 2 ;

l — длина составной части РДТТ, м.

1.9.5. Значения переходных сопротивлений между металлизируемыми элементами конструкции составных частей РДТТ (передним и задним фланцами, задним фланцем и срезом раструба соплового блока и т.п.) вычисляют по формуле

(2)

где I_max — максимальный ток уноса из сопла РДТТ, А.

Если величина максимального тока уноса I_max неизвестна, следует принимать значения переходных сопротивлений между элементами конструкции РДТТ

(3)

1.9.6. Параметры токопроводящего покрытия в виде продольных полос при металлизации РДТТ вычисляют по формулам (4) и (5):

(4)

где U_пр— максимальное напряжение возможного пробоя с неметаллизированного участка на полосу токопроводящего покрытия по наружной поверхности, кВ;

U_{пр к} = E_{пр к}d- напряжение пробоя материала корпуса, кВ;

E_{пр к} — электрическая прочность материала корпуса, кВ;

d — толщина стенки корпуса РДТТ, мм.

Величину E_{пр к} вычисляют в соответствии с требованиями ГОСТ 6433.3-71. Если величина электрической прочности материала корпуса неизвестна, принимают E_{пр к} = 5 кВ/мм.

График U_пр = f(l_m) зависимости максимального напряжения пробоя U_пр от расстояния между полосами токопроводящего покрытия l_mприведен на черт. 2 справочного приложения 3.

(5)

где L_т, h_m, d_т— соответственно длина, ширина и толщина полосы токопроводящего покрытия, м;

r_m— удельное электрическое сопротивление материала токопроводящего покрытия, Ом · м;

e — диэлектрическая постоянная вакуума, Ф/м;

Подраздел 1.9. (Введен дополнительно, Изм. № 1).

Основные требования к ракетным топливам;

Один из основных параметров ракеты – её конечная скорость. Требования к ракетным топливам рассматриваются исходя из формулы Циолковского для одноступенчатой ракеты :

· Для получения большой скорости при G_п.г.=const топливо должно обеспечить получение как можно большей по величине эффективной скорости истечения – W_е , то есть наибольшую удельную тягу;

· топливо должно иметь возможно больший удельный вес, так как его величина влияет на объём баков, а от размеров бака зависит вес конструкции ракеты, то есть значение µ_к. Удельный вес топлива определяется по формуле: , где γ_г – удельный вес горючего, γ_о – удельный вес окислителя; ν – количество «О» в кг, приходящееся на 1 кг «Г». Для современных топлив ν >1 (ν = 2…5).

Высокую удельную тягу ,(H_u – теплопроизводительность, η_t –термический коэффициент, η_g – кпд, учитывающий потери на диссоциацию) можно обеспечить при условии:

1. высокой теплотворности топлива. Теплотворность – количество тепла, которое выделяется при полном сгорании единицы веса топлива. Размерность теплотворности – ккал/кг;

2. высокой эффективности процессов горения и расширения. Эффективность этих процессов зависит от

· конструктивных особенностей ракетного двигателя;

· термодинамических свойств продуктов сгорания.

Под термином хорошие термодинамические свойства продуктов сгорания понимается:

· малое число атомов в молекуле;

· малый молекулярный вес;

· низкая температура кипения;

· невысокая теплота испарения.

Рассмотрим подробнее каждый пункт.

Процесс горения (образования продуктов сгорания) сопровождается обратным процессом – процессом диссоциации (распадом продуктов сгорания). При этом происходит потеря энергии. Снижение температуры в камере сгорания уменьшает процесс диссоциации. Молекулы с малым числом атомов распадаются труднее.

Для двух топлив с одинаковой теплотворностью, но с разным молекулярным весом потери на диссоциацию будут меньше у топлива с меньшим молекулярным весом, так как ,где К_G –теплотворность, с_р – весовая теплоёмкость при постоянном давлении, с_рm – теплоёмкость в ккал/г-мол град, µ -молекулярный вес продуктов сгорания.

Важным условием эффективного протекания процесса расширения является газообразное состояние продуктов сгорания, так как переход тепловой энергии в работу расширения осуществляется только при газообразном состоянии продуктов сгорания. Поэтому температура кипения необходима настолько низкой, чтобы продукты сгорания оставались газообразными.

Так как теплота, затраченная на испарение продуктов, теряется при выбросе последних из сопла, то она не должна быть слишком большой.

Кроме общих требований, предъявляемых к ракетным топливам, существуют специфические требования для жидких и твёрдых топлив.

Требования, предъявляемые к ЖРТ

Основные требования, предъявляемые к ЖРТ и идущие от особенностей ЖРДУ и ЛА, можно разбить на четыре группы:

1. Энергетические требования.

2. Эксплуатационные требования для обеспечения надежной работы

3. Требования при эксплуатации топлив вне двигателя.

4. Экономические требования.

— высокая температура продуктов сгорания;

— низкая молекулярная масса продуктов сгорания;

— высокая плотность топлива.

Если под энергетической эффективностью ЖРТ понимать совместное влияние удельного импульса тяги и плотности топлива на конечную скорость ступени ЛА, то для обеспечения высокой эффективности необходимо в общем случае учитывать все четыре требования.

Наиболее эффективные ракетные топлива должны обладать высокой теплопроизводительностью химической реакции; малой молекулярной массой продуктов сгорания и высокой плотностью компонентов.

Для получения высокотеплопроизводительных топлив в качестве окислителей выгодно использовать фтор, кислород или соединения с большим содержанием реакционноспособных F₂ и 0₂. В качестве горючих выступают элементы первых трех периодов и, в первую очередь, водород, углерод и обогащенные водородом соединения углерода и азота.

Наиболее высокоэнергетическим ЖРТ является фторводородное топливо, теоретический удельный импульс в пустоте которого составляет 4880 , Р_к= 15 Мпа, ок = 1. Несмотря на низкую плотность водорода, высокое стехиометрическое массовое соотношение компонентов обеспечивает приемлемую плотность. Однако фторводородное ЖРТ не нашло пока применения в ракетной технике из-за таких эксплуатационных свойств, как высокая токсичность собственно фтора и продуктов сгорания, высокая коррозионная активность. Кроме того, высокая температура продуктов сгорания вызывает трудности с охлаждением камеры и неизбежные при этом потери удельного импульса.

Высоким удельным импульсом обладает кислородно-водородное топливо, прочно вошедшее в ракетнокосмическую технику

Продукты сгорания кислородно-водородного топлива нетоксичны, а сами компоненты коррозионно-неактивны, что создает благоприятные эксплуатационные условия. К сожалению, кислород и водород при криогенных и обычных температурах не обеспечивают самовоспламенения, поэтому для процесса горения необходима система зажигания.

Эксплуатационные требования для обеспечения надежной работы двигателя. Жидкостной ракетный двигатель является высокотеплонапряженным преобразователем тепловой энергии топлива в кинетическую энергию струи, и для его работы необходимо обеспечить надежное охлаждение камеры. Охлаждение огневой стенки камеры обычно осуществляют компонентами топлив. Охлаждающая способность компонента в значительной степени определяется комплексом его теплофизических свойств.

Топливо или его компонент, являющийся охлаждающей жидкостью, должны обладать:

1. Высокой удельной теплоемкостью, при этом единицей веса жидкости поглощается наибольшее количество тепла.

2. Высокой теплопроводностью. Такая жидкость способна пропускать и распределять по объему большие тепловые потоки.

3. Значительной скрытой теплотой парообразования. При более высокой скрытой теплоте парообразования охлаждающая жидкость закипит при более высокой Т и будет способна отнять от стенок большее количество тепла.

4. Наиболее высокой температурой кипения, что обеспечивает большую надежность охлаждения без вскипания жидкости в охлаждающем тракте.

5. Высокой химической стойкостью против разложения при высокой температуре в охлаждающем тракте двигателя, что обеспечивает надежность охлаждения двигателя жидкостью с одинаковыми, принятыми в расчете, физическими свойствами.

6. Наименьшей возможной вязкостью, так как при высокой вязкости резко растут гидравлические сопротивления, увеличивается давление насосов, что ведет к увеличению веса турбонасосного агрегата (ТНА).

7. Наименьшим коэффициентом поверхностного натяжения, что способствует лучшему растеканию по поверхности охлаждающей жидкости и исключает возможность образования паровых пузырей, вызывающих местные перегревы и точечные прогары стенок камеры.

8. Высокой скоростью сгорания;

9. Малым периодом задержки воспламенения.

Требования при эксплуатации топлив вне двигателя. Эксплуатационные требования определяются свойствами топлив. Ими же определяются и эксплуатационные затраты, связанные с заправкой, хранением и контролем. Выбор конструкционных материалов зависит как от коррозионной активности компонентов топлива, так и от их температуры застывания. Длительное хранение ЛА в заправленном состоянии требует высокой стабильности компонентов топлива. Отработка ЖРДУ на нетоксичных, пожаро- и взрыво-безопасных топливах значительно упрощается вследствие снижения требований по герметичности, значительного удешевления стендовой базы, транспортных расходов. Значение эксплуатационных требований возрастает для пилотируемых ЛА, а также для аппаратов многократного использования и длительного хранения. Наконец, экологические проблемы требуют дополнительного и подробного анализа воздействия компонентов топлива и их продуктов сгорания на окружающую среду. Поэтому в данном случае желательно использовать нетоксичные, пожаробезопасные, взрывобезопасные, коррозионно-неактивные, стабильные при длительном хранении имеющие низкую температуру застывания, жидкие ракетные топлива.

Большие эксплуатационные затруднения создают коррозионно-активные компоненты топлива. Высокой коррозионной активностью отличаются азотная кислота, окислители на ее основе, а также азотный тетраксид. Приходится использовать только такие материалы, на которых образуется пассивная пленка, предохраняющая металл от воздействия окислителя. Например, при воздействии азотнокислого окислителя на поверхности алюминия образуется тонкая пленка окиси Аl₂О₃, надежно защищающая металл от дальнейшего окисления.

Скорость коррозии металла в окислителе увеличивается с увеличением содержания воды и температуры окислителя. Для уменьшения коррозии широко используются ингибиторы коррозии: йод и его соли, фтористый водород, ортофосфорная и серная кислоты. Так, например, коррозия легированной хромоникелевой стали уменьшается примерно в 10 раз при добавлении в красную дымящую азотную кислоту (КДАК) 1 % ортофосфорной кислоты.

Продукты коррозии металлов в азотно-кислотном окислителе могут забивать фильтры, каналы малого сечения в топливно-регулирующей аппаратуре и являться причиной отказа ЖРДУ. Особенно жестко контролируется наличие твердых примесей в двигательных установках длительного хранения.

Важным эксплуатационным свойством компонентов ЖРТ является их стабильность при длительном хранении. Один из наиболее ненадежных компонентов ЖРТ при этом — перекись водорода, склонная к самопроизвольному разложению. Стабильность перекиси возрастает с увеличением ее чистоты и концентрации. Для стабилизации технической перекиси водорода используются оловянная, орто- и пирофосфорная кислоты, а также их соли (1-3%).

Для обеспечения длительного хранения перекиси водорода в составе заправленной ЖРДУ необходимо использовать комплексный подход, который может быть реализован при:

1) обеспечении чистоты исходного продукта;

2) выборе конструкционных материалов, исключающих каталитическое воздействие (исключаются серебро, платина, свинец, ртуть, органические соединения и др.);

3) использовании стабилизаторов, дезактивирующих катализаторы разложения;

4) удалении продуктов разложения из системы подачи топлива.

Большое значение для систем подачи топлива ЖРДУ имеет температурный диапазон существования компонента топлива в жидкофазном состоянии. Длительная стоянка ЛА в заправленном состоянии при температуре окружающей среды не позволяет использовать ряд компонентов с хорошими энергетическими свойствами. Так, четырехокись азота при нормальном давлении кипит при 294 К и при 262 К застывает. Концентрированная перекись водорода застывает при 276 К, а трифторид хлора кипит при 285 К. Для задач, связанных с длительным хранением компонентов в заправленном состоянии, приходится либо ставить специальную систему термостатирования, либо использовать смешанные окислители (АК-20, АК-27 и др.) с более широким температурным диапазоном, но несколько худшими энергетическими характеристиками. Постановка системы термостатирования усложняет весь ракетный комплекс.

Заметное усложнение ЖРДУ вызывает применение несамовоспламеняющихся компонентов. В этом случае приходится использовать систему зажигания (химическую, электрическую, пиротехническую либо газодинамическую). Использование пусковых самовоспламеняющихся компонентов топлива влечет на собой введение дополнительных емкостей, трубопроводов, клапанов и агрегатов управления. Для электрозажигания требуется источник электроэнергии, при этом усложняется конструкция головки камеры, на которой размещается блок зажигания. Пиротехническая система предусматривает постановку нескольких пиропатронов, газоводов для двигателей многократного запуска.

Газодинамическая система основана на использовании части кинетической энергии расширяющейся струи (5—6%) для нагрева специальной поверхности, контактирующей с компонентами топлива. При ее применении также усложняется конструкция головки камеры и требуется источник газа.

Жидкий кислород не обеспечивает воспламенения с большинством освоенных горючих, но триэтилалюминий, триэтилборан и их смеси с кислородом самовоспламеняются. Углеводородные горючие при обычных температурах не воспламеняются с азотно-кислотными окислителями и перекисью водорода.

Практически со всеми горючими только фтор и ряд его производных обеспечивают хорошее самовоспламенение однако высокая их активность приводят к существенному усложнению и удорожанию как стендовых комплексов, так и летных образцов ЛА.Учет конкретных эксплуатационных характеристик компонентов ЖРТ на ранних этапах проектирования ДУ позволяет обеспечить надежное функционирование системы подачи, а также хранение и транспортировку ЛА в заправленном состоянии.

Большинство топлив ракетных двигателей представляет собой токсичные, т. е. ядовитые отравляющие вещества.

Установлены предельно допустимые концентрации ядовитых веществ в воздухе рабочих помещений, которые даже при длительном (6—8 ч) и непрерывном воздействии не оказывают вредного влияния на здоровье работающих.

Сокращением срока пребывания в атмосфере, зараженной ядовитыми газами или парами компонентов топлива, предельная допустимая концентрация может быть несколько повышена, так, например, для окиси углерода СО, если время пребывания не более одного часа разрешается до 0,05 мг/м 3 воздуха, а для времени пребывания в 15—20 мин может достигать даже 0,2 мг/м 3 . Однако надо иметь в виду, что ряд веществ с особенно высокой токсичностью, таких как фтор, окислы азота, производные фтора и хлора, не допускает даже незначительных отклонений от установленных норм.

Степень токсичности различных веществ различна и обычно оценивается так называемой допустимой концентрацией ядовитого вещества в воздухе (мг/л). Иногда степень токсичности сравнивается по так называемой летальной дозе (LD50) — это такое количество ядовитого вещества в миллиграммах на 1 кг веса живого организма, которое будучи введено в организм приводит к 50 % -ной смертности подопытных животных.

Важным экономическим фактором при создании и эксплуатации комплексов с ЖРДУ является стоимость компонентов ЖРТ. Вклад стоимости компонентов в суммарную стоимость технической системы возрастает с увеличением габаритных размеров ЛА и их количества в серии.

Экономические требования. При массовом использовании ЛА с ЖРДУ, а также ЛА с ЖРДУ многократного использования возрастает роль экономического фактора. Производство новых высокоэффективных ракетных топлив невозможно без подготовки и развития сырьевой и производственной базы. При этом стоимость производимых компонентов должна быть достаточно низкой.

Выполнить все требования, предъявляемые к ЖРТ и сформулированные в настоящем разделе, практически невозможно. Более того, одна группа требований часто противоречит другой. Поэтому выбор компонентов топлива должен определяться в основном теми задачами, которые выполняет ЛА.

Перспективные ЖРТ

Вслед за освоением и широким применением одного из наиболее эффективных топлив — кислородно-водородного — стали осваи­вать топлива с использованием наиболее активного окислителя — жидкого фтора и его соединений. Применение этих окислителей для двигателей нижних ступеней ракет сдерживается высокой токсичностью фтора и его продуктов сгорания. Поэтому возмож­ной областью использования фторных топлив являются верхние ступени ракет и космические аппараты, для которых исключи­тельно важны высокие энергетические характеристики. Для межпланетных косми­ческих аппаратов ведется разработка многофункциональных дви­гателей на фторгидразиновом топливе. При малых уровнях тяг (для коррекции траектории полета) используется режим работы двигателя на однокомпонентном гидразиновом топливе. Для обеспечения высо­ких уровней тяг (торможение космического аппарата, увеличение скорости полета и т. д.) используется режим работы на двухкомпонептном топливе (впрыск фтора в поток про­дуктов разложения гидразина). Дальнейшей перспективой по применению более эффективных топлив может явиться освоение и внедрение металлосодержащих топлив. Для двигательных установок боевых ракет имеется сущест­венное ограничение круга возможных топлив—они должны допускать длительное хранение ракет в заправленном состоянии. При этом необходимо сочетать высокий удельный импульс и боль­шую плотность топлива. Работы по созданию и освоению метал­лосодержащих топлив, типичным среди которых является гелированный гидразин с алюминиевым порошком в качестве горючего и высококонцентрированная перекись водорода или четырех­окись азота в качестве окислителя, могут привести к существен­ному улучшению энергетических и массовых характеристик двигательных установок на высококипящих топливах.

Низкая плотность и низкая температура кипения жидкого водорода затрудняют его использование в ракетах для продолжи­тельных космических полетов. В связи с этим перспективным представляется применение шугообразного водорода. Содержание твердого водорода в двухфазной смеси может составлять около 50 %. Основные преимущества шугообразного водорода перед обычным — повышенная плотность и увеличенная хладоемкость, а, следовательно, увеличение времени хранения. Использование гелей шуги водорода может облегчить решение проблемы относительно длительного хранения жидкого водорода в космических условиях.

Значительное внимание уделяется криогенным углеводород­ным горючим, полученным на основе низкомолекулярных газо­образных углеводородов: метана СН₄, этана С₆Н₆, пропана С₃Н₈ и др. Эти углеводороды доступны, могут храниться в условиях космического пространства, имеют низкую стоимость и сравнительно высокие значения удельного импульса при использовании в паре с жидким кислородом. Жидкий метан, например, является еще и хорошим охладителем, позволяет получать восстановитель­ный генераторный газ, не содержащий конденсата. Газообразный метан может быть нагрет в рубашке охлаждения ЖРД до 1000 К. Все это делает перспективным применение криогенных углеводо­родов (возможно в шугообразиом состоянии) для мощных мар­шевых двигателей ракет-носителей и для двигателей космических аппаратов с длительным пребыванием в космосе.

Так, например, следуя букве и духу концепции двигательных установок на экологически чи­стых и дешевых компонентах топлива, КБ химической автоматики им. С. А. Косберга (Воронеж) в инициативном порядке приступило к освое­нию топлива «жидкий кислород — сжиженный природный газ» («ЖК — СПГ»). Природ­ный газ на 98% по объему содержит метан и оценивается ведущими специалистами отрасли как топливо, наиболее полно удовлетворяющее требованиям к двигателям нового поколения.

При первом огневом испытании экспе­риментального двигателя на топливе ЖК-СПГ 30 апреля 1998 г. выполнены работы по про­верке работоспособности стендовых систем, отработке технологии заправки метаном, термостатирования ЖРД перед пуском, ис­следования характеристик запуска и выхо­да двигателя на основной режим.

Цели и задачи начального (демонстра­ционного) этапа освоения нового топлива выполнены. Полученные эксперименталь­ные данные и приобретенный опыт работ с СПГ позволяет перейти к проектированию и подготовке огневых испытаний ЖРД ново­го поколения.

По контрактам с Корпорацией КОМПО-МАШ и Центром им. М. В. Келдыша проведе­на расчетно-конструкторская, материаловедческая и технологическая проработка ряда новых двигателей.

Большое внимание уделяется улучшению свойств высококипя­щихуглеводородных горючих. Разрабатываются углеводородные горючие нефтяного происхождения и синтетические, с улучшен­ными физико-химическими свойствами, повышенной плотностью и т. п. В США создано углеводо­родное горючее RJ-5, имеющее плотность, существенно более высокую, чем керосин.

Среди исследуемых двухкомпонентных топлив, окислитель и горючее которых являются химически устойчивыми индивидуаль­ными веществами, топливо фтор + водород является наиболее эффективным из всех известных. Вместе с высоким удельным импульсом эти топливо имеет и сравнительно высокую плотность вследствие высокой плотности жидкого фтора и большого значе­ния оптимального соотношения компонентов. Несмотря на высокую токсичность и агрессивность фтора и продуктов сгора­ния, освоение этого топлива рассматривается как дальнейшее развитие и улучшение уже освоенного топлива О₂ + Н₂.

Комбинация F₂,ж+N₂H₄ имеет сравнительно высокие значе­ния удельного импульса и плотности. Охлаждающие свойства гидразина позволяют преодолеть трудности теплозащиты, связан­ные с высокой температурой горения. Специальные добавки, не влияющие на энергетику, устраняют опасность разложения и взрыва гидразина при использовании его для регенеративного охлаждения.

Исследуемые высококипящие топлива сравнительно немного­численны. Согласно публикуемым материалам наиболее эффектив­ным по удельному импульсу является топливо на основе высоко­концентрированной перекиси водорода с пентабораном. Пентаборан чрез­вычайно токсичен и самовоспламеняется в воздухе. Однако най­дены присадки, устраняющие эту опасность (температура само­воспламенения повышается на 100 К). К недостаткам рассматрива­емого топлива относят высокую температуру плавления концентрированной перекиси водорода. В то же время стабильность Н₂О₂ достаточна для применения во многих случаях: чистые растворы концентрированнойН₂О₂ разлагаются со скоростью, меньшей 0,6% в год.

Топливо N₂О₄ + В₅Н₉ имеет существенно меньшее теоретиче­ское значение удельного импульса, но более высокую плотность и стабильность, оба его компонента пригодны для применения в системах с предварительной заправкой и герметизацией емкости.

Среди выосокоэнергетических горючих внимание при­влекают металлыBe, Li, A1 и их гидриды. При горении этих ме­таллов в кислороде и фторе на единицу массы продуктов сгорания (окислов и фторидов) выделяется больше теплоты, чем, например, при горении водорода. Кроме этого, указанные металлы имеют довольно высокую плотность. Со­гласно термодинамическим расчетам применение добавок легких металлов, главным образом Be, может обеспечить существенное повышение энергетических характеристик топлив.

Применение металлических добавок к топливу на основе жид­кого водорода снижает плотность топлива, что связано с умень­шением количества окислителя в топливе и увеличением количе­ства водорода при оптимальных соотношениях. Оптимальным соотношением всех компонентов является примерно такое, когда весь окислитель расходуется на стехиометрическое окисление металла, а водород добавляетсядо достижения максимального удельного импульса.

Аналогичные данные по­казывают возможности повышения характеристик некоторых вы­сококипящих топлив путем использования металлических добавок.

Для высококипящих топлив также характерно уменьшение оптимального количества окислителя при добавлении металла, однако из-за более высокой плотности горючих по сравнению с Н₂,ж, добавление металла, более тяжелого,чем оба компонента, повышает плотность топлива.

Из гидридов металлов особый интерес представляетВеН₂ и А1Н₃.

Плотность этих веществ довольно высока и равна 0,63 и 1,48 г/см 3 соответственно. Идеальный удельный импульс в пустоте топлива Н₂О₂ + BeH₂ при оптимальном соотношении компонентов составляет 4800 м/с, т. е. близок к удельному импульсу топлива F₂ + Н₂. Это наиболее высокая характеристика для высококипящих топлив, горючее и окислитель которых являются индивидуаль­ными веществами.

Гелеобразные топлива исследуют в связи с решением задач создания хранимой однородной суспензии металлов в компонентах топлива, увеличения срока хранения криогенных компонентов топлив в условиях невесомости, улучшения эксплуатационных характеристик топлив (гелирование способствует быстрому затуханию колебаний в баке) и т. д. Создание новых гелеобразных топлив и комбинирование современных окислителей с гелеобразными горю­чими позволит существенно уменьшить размеры крупных ракет-носителей.

При получении гелеобразных топлив обычно используются химически актив­ные или механические гелеобразователи. В качестве химически активных гелеобразователей применяют высшие жирные кислоты и их соли (мыла), высокомо­лекулярные соединения (полимеры), тяжелые углеводороды. Механическими гелеобразователями могут служить тонкоизмельченные металлы (размером 0,8 . 3 мкм) и их соединения, силикагель, сажа, глина и т.д.

Используя с загущенным органическими горючими наполнители, представляющие собой порошкообразный окислитель, и высокоэнергетические добавки, получают гелеобразные монотоплива. В загущенном состоянии моно­топлива похожи на твердые ракетные топлива, обладая, например, способ­ностью выдерживать большие перегрузки. В отличие от твердых ракетных топ­лив гелеобразные монотоплива могут прокачиваться по трубопроводам; их при­готовление можно организовать непосредственно на стартовой позиции, отра­ботка рецептур таких топлив происходит более быстрыми темпами и имеет более низкую стоимость, а возможности варьирования рецептуры гелеобразных составов гораздо шире, так как их не нужно отверждать.

Энергетические характеристики монотоплив весьма близки к характеристикам средних по удельному импульсу жидких ракетных топлив.

Псевдожидкое топливо (или его компонент) состоит из порошкооб­разных веществ, которые можно флюидизировать газом по методу кипящего слоя и подавать в камеру сгорания ракетного двигателя аналогично жидкому компоненту. При прохождении с некоторой скоростью потока газа, т. е. ожи-жающего агента, через слой сыпучего, зернистого вещества частицы этого ве­щества начинают интенсивно перемещаться относительно друг друга, напоминая при этом кипящую жидкость и приобретая некоторые ее свойства. Переход непо­движного слоя в кипящий происходит при такой скорости газа, когда гидроди­намическое давление потока уравновешивает силы, действующие на частицу: инер­ционные, силы тяжести и др.

В качестве псевдоожижаемого окислителя рассматриваются порошкообраз­ные перхлорат аммония, нитрат аммония, гексанитроэтан и др., а в качестве горю­чего—алюминий, бор, полиэтилен, гидриды алюминия, бериллия, циркония и др. Сжижающим агентом может быть нейтральный газообразный азот, а также активные сжижающие газы, например, для окислителя — кислород, а для горючего — водород.

В настоящее время работы в области псевдожидких и гелеобразных топлив находятся в стадии экспериментальных исследований и стендовых испытаний опытных образцов.

Дата добавления: 2016-06-29 ; просмотров: 1227 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ