Перечень условных обозначений

Перечень условных обозначений

ЖРД - жидкостный ракетный двигатель;

РДТТ - ракетный двигатель твердого топлива;

КРТ - компоненты ракетного топлива;

КС - камера сгорания;

О₂ – кислород;

Т₂ - керосин;

AT - азотный тетраксид;

НДМГ - несимметричный диметилгидразин;

ВВ - взрывчатые вещества;

ПХА - перхлорат аммония.

Содержание

Введение............................................................................................................... 4

1 Краткие сведения о жидких ракетных топливах.................................................... 5

1.1 Основные требования к жидким ракетным топливам.................................... 5

1.2 Горючее.................................................................................................... 6

1.3 Окислители.............................................................................................. 8

1.4 Основные характеристики жидких топлив................................................ 10

1.5 Соотношение между компонентами топлива............................................. 12

2 Твердые топлива.............................................................................................. 12

2.1 Требования к топливам............................................................................ 12

2.2 Баллиститные топлива............................................................................. 15

2.3 Смесевые топлива.................................................................................... 18

Вывод................................................................................................................ 22 Перечень условных обозначений, символов, единиц и терминов 23

Список использованных источников..................................................................... 24

Приложение А.................................................................................................... 25

Введение

Одним из важнейших условий при проектировании, эксплуатации и изучении рабочего процесса любого двигателя является детальное знакомство с топливом, на котором работает двигатель.

Охватить все виды топлива в небольшом по объему учебном пособии не представляется возможным и поэтому здесь рассматривается круг вопросов, связанный с характеристикой топлив для химических двигателей и дающий возможность получить достаточное представление о КРТ.

Топливо — вещество или совокупность двух веществ (окислителя и горючего) для ракетного двигателя, одновременно являющаяся источником энергии и рабочим телом.

Топливо может быль разным: твердым, жидким, газообразным, смешанным, однокомпонентным или многокомпонентным, смесью или раствором разных компонентов.

Окислителем называется вещество или совокупность веществ, которые в процессе химической реакции (реакции горения) приобретают электрон или электроны на электронные оболочки атома.

Горючим называется вещество или совокупность веществ, которые в процессе химической реакции (реакции окисления) теряют электрон или электроны со своих электронных оболочек атома, выделяя при этом тепловую энергию.

Современные ракетные топлива предназначены для выполнения многочисленных технических задач. Невозможно найти топливо, удовлетворяющее всем без исключения требованиям, которые ставятся перед конструктором при создании ракетного двигателя или ракетной системы.

1 Краткие сведения о жидких ракетных топливах

1.1 Основные требования к жидким ракетным топливам

К жидким ракетным топливам предъявляют следующие требования:

1 Топливо должно обеспечить возможно больший удельный импульс
тяги, что при прочих равных условиях, как видно из формулы Циолковского

Vn= ω_э.пlnμ_к, (1)

где Vn - идеальная скорость, развиваемая ракетой в безвоздушном пространстве при отсутствии сил гравитации;

μ_к= Мк/Мо (2)

μ_к -относительная конечная масса ракеты,

позволит получить более высокую конечную скорость ракеты, а, следовательно, и большую дальность стрельбы.

2 Окислитель и горючее должны обладать высокой плотностью, т.к. при
этом они будут занимать меньший объем, что приводит к уменьшению массы
конструкции.

3 Топлива должны обеспечивать нормальные процессы воспламенения, иметь большие скорости горения.

4 Компоненты топлива должны обладать низкой температурой замерзания и высокой температурой кипения, обеспечивающей нормальную работу двигательной установки, возможность хранения топлив, а также заправленных ракет в широком температурном диапазоне.

5 Компоненты топлива, или хотя бы один из них, должны обладать хорошей охлаждающей способностью, позволяющей надежно охлаждать стенки камеры сгорания при работе двигателя.

6 Компоненты топлива должны быть стабильными, т.е. не менять
своих физических и химических свойств в процессе эксплуатации и хранения
топлив.

7 Компоненты топлива должны обладать малой токсичностью; не
должны быть агрессивными (разрушающими) по отношению к
конструкционным материалам.

8 Топливо не должно быть взрывоопасным.

9 Топливо должно быть дешевым, получение его должно быть обеспечено отечественной сырьевой и промышленной базой.

Очевидно, что удовлетворить всему многообразию требований очень трудно, а подчас невозможно. В каждом конкретном случае, учитывая назначение ракеты, отдают предпочтение тем или иным топливным характеристикам.

1.2 Горючее

В качестве горючих веществ могут применяться: водород, углерод, литий, бериллий, бор, магний, алюминий, а также соединения с высоким содержанием этих элементов (физико-химические соединения и их свойства приведены в приложении А таблицах 6, 7). Наибольшее распространение получили керосин, гидразин и его производные (несимметричный диметилгидразин, аэрозин и др.), и жидкий водород. Керосин является функцией прямой перегонки нефти. Широкое применение получил керосин со следующими свойствами:

- плотность (0,82 - 0,85) *10³ кг/м³;

- температура замерзания -60° С;

- температура кипения 150-280° С.

Керосин в ЖРД применяется обычно с жидким кислородом или с азотнокислыми окислителями. Топлива на основе керосина несамовоспламеняющиеся, поэтому для запуска двигателя необходим источник зажигания. Широкая сырьевая база, дешевизна, не токсичность, не агрессивность по отношению к металлам, возможность использования для охлаждения КС — положительные свойства керосинов. Гидразин представляет собой, при нормальных условиях, бесцветную дымящуюся на воздухе жидкость, поглощающую из атмосферы влагу, углекислоту и кислород. Он нестабилен, в безводном состоянии подвергается каталитическому разложению, коррозионно активен. Положительными свойствами гидразина как ракетного горючего являются:

- плотность -1,04*10³ кг/м³;

- температура кипения 113,7° С.

Гидразин имеет и существенные недостатки. Температура замерзания гидразина +2° С, что делает его неудобным в эксплуатации, особенно в зимнее время. При хранении и заправке ракеты в холодное время года его нужно подогревать. Еще больший недостаток гидразина - склонность его паров при нагревании и при ударах к взрывчатому разложению, что не позволяет использовать его в качестве охлаждающей жидкости камеры сгорания.

Несимметричный диметилгидразин (НДМГ) представляет собой бесцветную весьма летучую и подвижную жидкость с интенсивным аммиачным запахом.

Температура замерзания -57,2° С,

температура кипения +63° С,

плотность 0,79 *10³ кг/м³.

НДМГ имеет лучшие эксплуатационные характеристики, но несколько уступает по энергетическим показателям гидразину.

Пары НДМГ в смеси с воздухом легко самовоспламеняются при повышенной температуре, поэтому он обычно хранится в герметичных емкостях под давлением инертного газа.

НДМГ коррозионно инертен к сталям и алюминиевым сплавам, но является высокотоксичным веществом, обращение с которым требует крайней осторожности.

С окислителями на основе азотной кислоты и окислов азота гидразин и его производные образуют самовоспламеняющиеся топлива.

Большая химическая активность НДМГ делает его ценным компонентом топлива, позволяющим получить относительно большой удельный импульс тяги.

Широко применяется в качестве горючего аэрозин, представляющий собой смесь 50% гидразина и 50% НДМГ.

Жидкий водород обладает наиболее высокими энергетическими характеристиками, благодаря чему топлива на его основе дают наибольший удельный импульс тяги.

Недостатками жидкого водорода являются:

низкая температура кипения -253°С и

малая плотность 0,071- 10³ кг/м.

Кроме того, водородно-воздушные смеси в широких пределах концентраций являются взрывоопасными, что усложняет условия хранения и обращения с ним.

1.3 Окислители

В качестве окислителей могут применяться: кислород, фтор, хлор и различные химические соединения с высоким содержанием этих элементов. Физико-химические характеристики окислительных веществ приведены в приложении А таблице 7. В настоящее время в качестве окислителей нашли широкое применение азотная кислота, смесь азотной кислоты с четырех окисью азота и жидкий фтор. Окислители на основе азотной кислоты относятся к высококипящим, а жидкий кислород и жидкий фтор к низкокипящим.

Высококипящие окислители имеют большие эксплуатационные преимущества и позволяют создавать ракеты, предназначенные для длительного хранения в заправленном состоянии.

Низкокипящие окислители имеют более высокие энергетические характеристики, благодаря чему они нашли применение в ракетах- носителях для запуска космических объектов, хотя они менее удобны в эксплуатации из-за интенсивного испарения.

Азотная кислота HNO₃ в чистом виде представляет собой бесцветную ядовитую жидкость, дымящуюся на воздухе с сильно раздражающим запахом. Кипит при температуре + 86°С и замерзает при - 41,6°С, что облегчает условия ее хранения, транспортировки и перекачки.

Содержит 76% кислорода, что делает её сильным окислителем. Из всех широко применяемых окислителей азотная кислота имеет наибольшую плотность 1,52-10³ кг/м.

Азотная кислота обладает и недостатками. Пары её ядовиты и при попадании на кожу вызывают ожога. Она используется в основном в смеси с четырех окисью азота.

Применение четырехокиси азота N₂O₄ в качестве окислителя в чистом виде затруднено из-за её эксплуатационных свойств. Основной недостаток - высокая температура замерзания (-11,2°С) и низкая температура кипения (+21,2°С), но четырехокись азота оказалась ценной в смесях с азотной кислотой. Смесь азотной кислоты с четырехокисью азота имеет более высокую плотность (до 1,6*10 кг/м³), более низкую температуру замерзания (до -70° С), могут выделять несколько больше кислорода для окисления горючего, менее агрессивны и более стабильны при хранении.

Жидкий кислород является одним из наиболее мощных окислителей благодаря тому, что содержит 100% окисляющего элемента. Температура кипения - (-183°С), температура замерзания (-219°С).Многие материалы (сталь, чугун, резина и др.) при таких температурах становятся хрупкими.

Основные достоинства - большой удельный импульс тяги двигателя, простота производства и низкая стоимость при неограниченной сырьевой базе. Недостатки - относительно малая плотность и низкая температура кипения, что вынуждает производить заправку непосредственно перед пуском из-за больших потерь на испарение.

Жидкий фтор представляет собой желтую жидкость. Температура кипения - (-188° С), плотность при этой температуре 1,51*10 кг/м³. Беспрерывно кипит, выделяя чрезвычайно ядовитые пары. Является самым сильным окислителем и практически соединяется со всеми известными горючими, образуя самовоспламеняющиеся топлива. Топлива на основе фтора имеют наиболее высокие энергетические показатели. Высокая химическая активность фтора создает большие трудности при его эксплуатации, т.к. большинство материалов не выдерживают контакта с ним. Однако, такие металлы, как никель, нержавеющая сталь, медь, алюминий и др., пригодны для изготовления ёмкостей и арматуры, т.к. на их поверхности образуется пленка фторидов, защищающая металл от разрушения.

Оборудование, предназначенное для работы с фтором должно тщательно обезжириваться во избежание возгорания.

Заправку ракет фтором из-за потерь на испарение можно производить, только перед пуском.

1.4 Основные характеристики жидких топлив

Наиболее важное требование к топливам - максимальное выделение энергии при его сгорании. Свойства жидких ракетных топлив в значительной степени определяются характером окислителя. Для каждого горючего можно подобрать окислитель, обеспечивающий наибольшую эффективность топлива. На основе азотно-кислотных окислителей могут быть 2 вида топлив: самовоспламеняющиеся и несамовоспламеняющиеся. С азотно-кислотными окислителями особенно хорошо воспламеняется гидразин и его производные (НДМГ). Применение самовоспламеняющихся топлив облегчает запуск двигателя, несколько упрощает его конструкцию, но одновременно усложняет эксплуатацию ракет из-за возможности пожара при случайном смешении компонентов.

Керосин с азотно-кислотными окислителями образует несамовоспламеняющиеся топливо. Применение таких топлив позволяет хранить ракету в заправленном состоянии длительное время.

В качестве горючего для кислорода могут применяться любые углеводороды, такие, как жидкий водород, аммиак, гидразин, НДМГ и др..

Топлива на основе жидкого кислорода обладают более высокими качествами по сравнению с топливами на основе азотно-кислых окислителей. Фтор как окислитель в сочетании с большинством элементов образует топлива с лучшими энергетическими показателями, чем кислород, но из-за его эксплуатационных недостатков и вредных продуктов сгорания, заражающих атмосферу, топлива на основе фтора не получили применения.

В таблице 3 приведены значения удельного импульса топлив при
равновесном истечении (Рк=70 кг/см² и Ра=1 кгс/см²). Удельный импульс
определяет энергетические возможности топлива.

Существует множество возможных комбинаций топлив, используемых в ЖРД (Приложение А, таблица 5), но всё же их можно разделить на три большие группы

1) топлива длительного хранения;

2) криогенные топлива;

3) топлива, в которых один компонент является долгохранимым, а другой - криогенным.

Наиболее распространенной топливной парой первой группы является топливо, состоящее из азотного тетраксида (AT) и аэрозина, где AT - окислитель, аэрозин - горючее.

На космическом корабле "Апполон" используются двигатели с вытеснительной системой подачи, работающие на указанном топливе. Ракеты военного назначения с насосной системой подачи также работают на топливах длительного хранения, что обеспечивает высокую боеготовность.

Наиболее распространённым в настоящее время криогенным топливом является комбинация жидкий кислород - жидкий водород. Это топливо обеспечивает высокий удельный импульс.

Типичным примером кислородно-водородного двигателя ЖРД J2 с насосной системой подачи, который устанавливается на верхних ступенях ракеты-носителя "Сатурн 5".Длительное хранение криогенных топлив связано с большими трудностями из-за низкой температуры кипения компонентов. Примером комбинации криогенного и долгохранимого компонента является жидкий кислород - керосин. Это топливо используется во многих ЖРД. Типичный пример такого ЖРД - двигатель F-1 с насосной системой подачи топлива, установленный на первой ступени РН "Сатурн 5".

В отечественной ракетной технике ЖРД с насосной системой подачи на основе топлив кислород/ керосин - это РД-107, РД-108, РД-15 и др.

1.5 Соотношение между компонентами топлива

Для полного окисления (сгорания) определённого количества горючего теоретически требуется определённое количество окислителя. Соотношение между компонентами топлива., при котором количество окислителя, приходящееся на один килограмм горючего, в точности равно количеству, необходимому для его полного окисления, называется стехиометрическим и характеризуется стехиометрическим коэффициентом ае_стех., который показывает сколько кг окислителя требуется для полного окисления 1 кг горючего. Количество окислителя, фактически подаваемое в камеру сгорания на 1 кг горючего, называется действительным соотношением компонентов топлива и характеризутся коэффициентом ае, который равен отношению секундных массовых расходов окислителя и горючего:

ае _ок= m_ок/m_rop (3)

Отношение действительного соотношения компонентов к стехиометрическому, называется коэффициентом избытка окислителя:

α_ок = ае / ае_стех. (4)

Если α_ок<1, то в топливе недостаток окислителя или избыток горючего, если α _ок > 1, то избыток окислителя или недостаток горючего. Обычно в камере ЖРД обеспечивают некоторый избыток горючего α_ок = 0,7± 0,9.

2 Твердые ракетные топлива

2.1 Требования к топливам

Важнейшими требованиями к твердым ракетным топливам являются следующие:

1 Высокие энергетические характеристики — максимальная величина удельного импульса тяги _у.

Повышение удельного импульса, обеспечиваемого топливом, дает возможность повысить дальность полета ЛА, считая начальную массу его и массу полезного груза заданными (или увеличить массу полезного груза при заданной дальности полета).

Величина удельного импульса, как известно, определяется, в основном, физико – химическими свойствами продуктов сгорания (считая степень расширения сопла F_а/F_м неизменной):

R_KT_K:I_y~√T_K/μ (5)

где R_K – газовая постоянная,

T_K – температура продуктов сгорания,

μ – молекулярная масса продуктов сгорания.

Следовательно, получение высокого I_у при умеренной температуре продуктов сгорания возможно при высокоэнергетическом топливе, продукты сгорания которого имеют наименьшую молекулярную массу μ. Уменьшение температуры продуктов сгорания приводит к снижению массы конструкции двигателя главным образом за счет теплозащитных покрытий.

2 Большая плотность топлива _т.

Увеличение плотности твердого ракетного топлива _т обеспечивает уменьшение габаритов и соответственно массы корпуса двигателя при заданной массе топлива.

3 Состав топлива должен обеспечивать слабую зависимость скорости горения от давления и температуры; разброс (технологические отклонения)
скорости горения для топлива определенной марки должен быть наименьшим.

При выборе топлива для проектируемого двигателя скорость горения на номинальном режиме определяется из соотношения:

u_ном=e_o/τ_д, (4)

где е₀ — начальная толщина свода заряда;

τ_д — время работы двигателя.

Скорость горения топлива определенной марки может варьироваться (в пределах ± 15% u_o) путем изменения диаметра частиц окислителя и применения специальных добавок.

4 Физико-механические свойства твердых ракетных топлив должны обеспечивать возможность создания зарядов требуемых форм, а также
отсутствие существенных изменений конфигурации зарядов и нарушений их сплошности (появления трещин) в течение всего срока хранения и эксплуатации РДТТ в заданном температурном интервале.

Твердые ракетные топлива имеют низкие значения коэффициента теплопроводности (0,2...0,3 Вт/мК), поэтому при изменении температуры окружающей среды в зарядах возникают термические напряжения, которые могут вызвать их растрескивание. Разрушение зарядов может происходить под действием давления в камере сгорания, вибраций и перегрузок в полетных условиях.

5 Стабильность физико-механических свойств и энергетических
характеристик топлива в условиях хранения и эксплуатации.

Основное влияние на изменение характеристик твердых ракетных топлив оказывает температура. В зависимости от свойств топлива и размеров заряда устанавливаются допустимые пределы изменения температуры при хранении и применении снаряженных двигателей.

6 Безопасность топлива в отношении детонации и взрывов в процессе
изготовления, при снаряжении двигателей и их эксплуатации.

Склонность твердых ракетных топлив к переходу горения в детонацию зависит от состава топлива, размеров заряда, начальной температуры заряда. Детонация может возникать, в частности, при местном механическом ударе, энергия которого превосходит критическую величину, необходимую для разрушения внутримолекулярных связей в веществе, склонном к детонации. Повышение энергетических характеристик топлива и увеличение массы заряда приводит к росту вероятности перехода горения в детонацию.

7 Технологические свойства топлива должны допускать применение наиболее передовых и экономичных способов изготовления зарядов и снаряжения двигателей.

8 Компоненты топлива должны иметь широкую сырьевую и производственную базу, стоимость их не должна быть высокой.

В настоящее время в РДТТ применяются два основных вида твердых ракетных топлив: баллиститные и смесевые.

2.2 Баллиститные топлива

Химическую основу баллиститных топлив (Приложение А, таблица 1) составляют органические соединения, включающие богатые кислородом нитро-или нитратные группы. В баллиститном топливе и горючее (элементы С и Н), и окислитель (O) входят в структуру одной молекулы. Одним из главных компонентов баллиститного топлива, определяющим его механическую структуру, является нитроклетчатка — продукт нитрации целлюлозы. Предельное содержание азота в нитроцеллюлозе при замещении всех гидроксильных групп целлюлозы нитратными группами [С₆H₇O₂(ОNO₂)₃] составляет 14,4%. Для производства баллиститных ТРТ может применяться нитроклетчатка с содержанием азота от 11,5 до 13,8%. Чем выше степень нитрации, тем выше кислородный баланс нитроклетчатки, тем выше ее теплота разложения Q, кДж/кг, определяемая формулой:

Q = 675n_N - 4620 (6)

где n_N — процентное содержание азота в нитроцеллюлозе.

Однако с ростом n_N снижается стабильность топлива при хранении и возрастает взрывоопасность при производстве зарядов.

Вторым обязательным компонентом баллиститного топлива является растворитель. Нитроклетчатка образует с растворителем пластичную массу, из которой можно методом проходного прессования (один из наиболее широко распространенных современных методов) изготавливать заряды желательной формы. Обычно используют труднолетучие растворители: нитроглицерин С₃Н₅(ОNO₂)₃, диэтиленгликольдинитрат (C₄H₈O(ON0₂)₂, динитротолуол и другие. Топлива на основе этих растворителей и называют баллиститными.

Носителем избыточного кислорода (относительно стехиометрии самого растворителя) является нитроглицерин. Энергетические характеристики топлива улучшаются с увеличением содержания в топливе нитроглицерина. В приложении А, в таблицах 1 и 2 приводятся данные для нескольких составов топлив с различным процентным содержанием нитроглицерина и различной степенью нитрации целлюлозы.

Предельное содержание нитроглицерина в топливе не превышает 45%, так как при большом его содержании резко снижаются физико-механические свойства топлива и допустимые сроки хранения.

Перечисленные растворители, как и нитроцеллюлоза, являются активными компонентами; ввиду наличия двух основных энергетических компонентов эти топлива иногда называют двухосновными.

Для получения необходимых физико-химических и физико-механических свойств в топливо вводят различные добавки.

При хранении двухосновного топлива происходит постепенное разложение нитроцеллюлозы с выделением окислов азота, являющихся катализаторами разложения нитроцеллюлозы. Чтобы затормозить процесс разложения и тем самым повысить стабильность топлива и собственно сроки хранения, в топливо вводят специальные вещества, называемые стабилизаторами. Стабилизаторы, вступая в химическую реакцию с окислами азота, связывают их, уменьшая тем самым автокаталитическое действие их на нитроцеллюлозу.

В качестве стабилизаторов в современных двухосновных топливах применяют этилцентралит C₁₇H₂₀ON₂ и дифениламин C₁₂H₁₁N.

Для повышения термопластичности нитроцеллюлозы при прессовании в состав топлива вводят технологические добавки — пластификаторы: воск, вазелин, минеральные масла и другие вещества. Пластификаторы увеличивают эластичность зарядов и уменьшают чувствительность к детонации.

В топливо могут вводиться специальные вещества, служащие катализаторами горения. Их вводят для увеличения скорости горения и устойчивости процесса горения при минимальном давлении, а также для повышения полноты сгорания. В качестве катализаторов применяют окислы свинца и титана, сернокислый калий и другие.

Для уменьшения гигроскопичности нитроцеллюлозы в состав некоторых топлив вводят диэтил- и дибутилфталаты — жидкости, способствующие желатинизации. Некоторые добавки могут выполнять одновременно несколько функций. Так, например, вазелин, используемый как пластификатор, оказывает стабилизирующее действие на состав топлива. Такие стабилизаторы, как централиты и дифениламин, могут служить катализаторами горения.

В настоящее время получили применение модифицированные баллиститные топлива с механическими включениями минерального окислителя, гранулированных взрывчатых веществ (ВВ) с положительным кислородным балансом и высокодисперсного металла. Такие топлива обладают не только повышенным удельным импульсом, но и большими скоростями горения. Они занимают промежуточное положение между баллиститными и смесевыми топливами.

Основной метод изготовления зарядов из баллиститного топлива в настоящее время - это метод проходного прессования. Пластифицированную топливную массу, подогреваемую до 45...55° С, выпрессовывают через специальную матрицу (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема устройства для прессования зарядов из баллиститного топлива

Топливная масса под действием плунжера 2 выдавливается из изложницы 1, смыкается за крестовиной матрицы 3 и, уплотняясь, проходит через зазор между изложницей 1 и иглой 4. Наружный профиль шашки и профиль канала определяются конфигурацией иглы и матрицы.

Изготовление зарядов диаметром больше 1 м осуществляется по литьевой технологии. Для этого в форму сначала засыпают небольшие таблетки нитроцеллюлозы, а затем заливают нитроглицерин. Форму с топливом в течение нескольких дней подвергают термостатированию при Т = 70°С. В результате полимеризации смесь затвердевает. Одним из основных недостатков литьевой технологии, ограничивающим ее широкое применение для производства баллиститных топлив, является трудность обеспечения требуемых плотностей и однородности структуры заряда.

2.3 Смесевые топлива

Широкое применение в РДТТ за последние 30 лет получили смесевые топлива, представляющие механическую смесь кристаллического окислителя в виде мелких частиц размером 10¹...10² мкм и органических полимеров (полисульфидов, полиуретанов, полибутадиенов и др.). Последние являются горючим и одновременно связующим, придающим топливу необходимые физико-механические свойства, обеспечивающие прочность заряда при хранении и горении.

Большинство современных смесевых ТРТ разработано на основе окислителя перхлората аммония (ПХА) NH₄CIO₄. Это объясняется его доступностью, относительно низкой стоимостью, а также тем, что при разложении ПХА образуются только газообразные соединения с небольшой молекулярной массой. Недостатком ПХА является сравнительно небольшая массовая доля свободного кислорода в молекуле, составляющая 34%. Исполь­зование в смесевых топливах окислителей с высоким содержанием кислорода (>60%), таких как перхлораты нитрония N0₂CI0₄ и нитрозила NOCI0₄ затруднено вследствие их плохой совместимости с горючим компонентом.

Для топлив на основе ПХА и обычных полимерных связующих характерна низкая степень зависимости скорости горения от давления и начальной температуры и сравнительно высокие энергетические характеристики. При уменьшении размеров частиц окислителя наблюдается значительное повышение скорости горения. Например, для топлив, содержащих 24% связующего и 76% ПХА при уменьшении размеров частиц окислителя от 100 до 5 мкм скорость горения увеличивается от 8,5 до 26,4 мм/с.

Топлива на основе перхлората калия КСIO₄ имеют высокую плотность, но пониженный удельный импульс тяги (I_у=1800... 2200 м/с) и высокое значение показателя степени V в формуле скорости горения.

Перхлорат лития обладает хорошими энергетическими ха­рактеристиками, однако вследствие его гигроскопичности и дороговизны внедрение его в производство ТРТ затруднено.

Из нитратов в производстве ТРТ распространен нитрат аммония (селитра). Топливо на основе его эффективно, когда необходимо иметь небольшую скорость горения и умеренные температуры в камере сгорания. К недостаткам рассматриваемого топлива следует отнести сравнительно низкий удельный импульс I_у<2000 м/с, пониженную плотность, гигроскопичность, а также повышенную температурную чувствительность.

В таблице 3 приложения А приведены физико-химические свойства окислителей смесевых топлив.

В качестве горючего связующего могут быть использованы различные вещества органического происхождения. В современных смесевых ТРТ для этого используются в основном полимеризующиеся вещества, такие, как полиэфирные, фенольные и эпоксидные смолы, пластмассы (поливинилхлорид, полиамид и другие), синтетические каучуки (полисульфидный, полиуретановый, полиизобутиленовый и другие). Выбор связующего в основном определяется требованиями получения необходимых энергетических характеристик, физико-механических свойств, а также технологией изготовления. Основным недостатком полимерных смол и пластмасс является их малая эластичность и повышенная хрупкость при низких температурах. Значительно лучшими физико-механическими свойствами обладают ТРТ на основе синтетических каучуков, что и обеспечило им широкое применение в современных РДТТ. Хорошие характеристики имеют топлива на основе полиуретанового каучука. Они сохраняют эластичность до 223 К и имеют удельный импульс I_у>2400 м/с. Широко используется также бутадиеновый каучук, сополимер бутадиена и акриловой кислоты. Топлива на его основе обладают хорошими механическими и адгезионными свойствами и имеют высокий удельный импульс I_у>2430 м/с. Энергетические свойства различных горючих представлены в приложении А, в таблице 4.

Увеличение содержания минерального окислителя (кристаллического вещества) в топливе свыше 85% приводит к ухудшению физико-механических свойств топлива в процессе изготовления и эксплуатации.

Стремление повысить кислородный баланс смесевого топлива привело к использованию в качестве горючего-связующего органических нитросоединений, содержащих большое количество кислорода. Одним из таких соединений является пластифицированная нитроцеллюлоза — нитрозил.

На основе нитрозила возможно создание топлив с оптимальным соотношением горючего-связующего и минерального окислителя 40: 60, обладающих хорошими механическими свойствами.

Из таблицы 4 приложения А видно, что металлы (алюминий и магний) вследствие небольшого количества кислорода, потребляемого для полного сгорания, обеспечивают тепловой эффект на 1 кг продуктов сгорания вдвое выше, чем углеродные горючие. Поэтому введение в состав смесевого топлива добавок металла в виде высокодисперсного порошка приводит к увеличению температуры горения и к заметному повышению удельного импульса топлива, а также к увеличению плотности топлива и стабильности его горения.

Применение металлических горючих приводит к значительному содержанию в продуктах сгорания конденсированной фазы. Наличие конденсированных частиц в факеле за срезом сопла (демаскирующий фактор) в некоторых случаях оказывается нежелательным. Возможно применение в составе топлива специальных добавок с целью подавления нежелательных эффектов при догорании продуктов сгорания в атмосфере и уменьшения дымообразования.

В состав смесевых топлив вводят различные технологические добавки для улучшения физико-механических свойств и внутрибаллистических характеристик. К таким добавкам относятся пластификаторы и стабилизаторы, аналогичные добавляемым в баллиститные топлива. Для регулирования скорости горения в топливо вводят различные катализаторы: окислы металлов, металлоорганические соединения и др. Например, введение в состав смесевого топлива шести процентов олова вдвое увеличивает скорость горения, введение таких соединений как двуокись магния, трехфтористый бром, наоборот, уменьшает скорость горения.

Заряды из смесевых топлив изготавливаются преимущественно по технологии литья под давлением или свободного вакуумного литья. В зависимости от конструкции двигателя и физико-механических и теплофизических характеристик топлива заряд формуется непосредственно в корпусе двигателя или в специальном каркасе, который является армирующим элементом, или же отдельно в специальной изложнице. Для образования в заряде каналов требуемой формы применяется технологическая игла (цельная или разборная).

Технологический процесс изготовления заряда включает подготовку смеси порошкообразных компонентов: сушку, измельчение, фракционирование перхлората аммония и т. д.; подготовку связующего: вакуумирование, смешение жидких элементов, приготовление смеси связующего с порошком алюминия; приготовление топливной массы и формование заряда; полимеризацию (отверждение) заряда.

Вывод

В данной лабораторной работе были рассмотрены основные виды топлив применяемых в РКТ. Ракетные топлива делятся на твердые и жидкие. Твердые, в свою очередь, подразделяются на баллиститные (на нитрооснове) и смесевые, представляющие механическую смесь кристаллического окислителя в виде мелких частиц размером 10¹..10² мкм и органических полимеров (полисульфидов, полиуретанов, полибутадиенов и др.).

Жидкие топлива состоят из окислителя и горючего.К горючим относятся: этиловый спирт, керосин, водород, аммиак, гидразин, несимметричный диметилгидразин (НДМГ), аэрозин (50%НДМГ+50% N₂H₄), и д.р. К окислителям относятся: жидкий кислород, жидкий озон, жидкий фтор, азотная кислота, четырехокись азота, перекись водорода и д.р. химически активные вещества.

Список литературы

1 Пенцак И.И., Теория полёта и конструкция БР. – М.: Машиностроение, 1976.

2 Феодосьев В.И., Основы техники ракетного полёта – М.: Оборонгиз, 1958.

3 Козлов А.А., Конспект лекций по курсу: топливо и рабочие тела – М.: Машиностроение, 1976.

Приложение А

Справочные материалы

Таблица А.1 - Химическая основа баллиститных топлив

Компонент	Содержание по массе, %
Марка топлива
IPN (США)	НЕS 4016 (США)	SС (Кордит) (США)	Н (СССР)
Нитроцеллюлоза	51,5		49,5
Нитроглицерин			41,5
Динитротолуол	-	-	-
Этилцентралит
Диэтилфталат	3,25	-	-	-
Газовая сажа	0,2	-	-	-
Сульфат калия	1,25	-	-	-
Воск	0,08	-	0,07

Таблица А.2 -Характеристика баллиститных топлив

Характеристика	Масса топлива
IPN	НЕS 4076	SС	Н
Теплота горения				-
Температура горения Тг, К
Показатель адиабаты n	1,21	-	1,22	1,25
Удельные импульс Iу, м/с (при р=7МПа, ра=0,ГмПа)		-
Скорость горения, мм/с (при р=7 МПа, Тн=20° С)	16,5	14,3	7,8
Показатель степени в формуле скорости горения V	0,69	0,75	0,69	0,6
Нижний предел давления pmin, МПа		-	-
Плотность т, кг/м^3		-	-

Таблица А.3 - физико-химические свойства окислителей смесевых топлив

Окислитель	Химическая формула	Плотность, кг/м	Температура интенсивного разложения, °С	Содержание кислорода в % от массы окислителя
Перхлорат калия	KCL04			46,2
Перхлорат аммония	NH4CLO4			54,5
Перхлорат нитрозила	NOCLO4			62,2
Перхлорат нитрония	NO2CLO4			66,7
Нитрат аммония	NH4NO3

Таблица А.4 - Энергетические свойства горючих

Горючее	О/Г, кг/кг	Тепловой эффект реакции с NH4CLO4 при αок = 1, кДж/кг
Каучук бутадиен стирольный	3,14
Каучук полиуретановый	1,81
Смола фенольно-формальдегидная	2,36
Смола эпоксидная	2,34
Полиметилметакрилат	1,92
Алюминий	0,89
Бериллий	1,78
Магний	0,658

Таблица А.5 - Возможные составы топлива и их удельные импульсы

Состав топлива	Iy.p.. С
03+Ве+Н2
02+Ве+Н2
02+Li+H2
02+В+Н2
02+А1+Н2
F2+Li+H2
F2+Be+H2
03F2+Be+H2
OF2+Be+H2
F2+Li+He
F2+H2+He
02+Be+N2H2
02+Al+N2H2
02+B+H2
F2+Li+ N2H2
F2+Be+ N2H2
H202+Be+N2H2
H202+A1+N2H2
C1F3+Li+ N2H2
C1F3+Be+ N2H2
N204+Be+ N2H2
N204+A1+ N2H2

Дата добавления: 2015-09-30