Общие сведения о ЖРД

5.1. Системы космических летательных аппаратов

Различают следующие типы космических летательных аппаратов: 1) Баллистические ракеты (Б.Р.). Обеспечивает доставку полезного груза к цели без вывода на орбиту.

Б.Р.

2) Ракетоносители (Р.Н.).

Обеспечивает доставку полезного груза к цели с выводом на орбиту.

Р.Н.

а) Последовательная схема.

б) Пакетная схема.

3) Многоразовые транспортные космические аппараты (МТКА). Назначение такое же, как у Р.Н.

МТКА

КА).

4) Межорбитальные транспортные космические аппараты (МоТ-

Обеспечивает вывод полезного груза на более высокие, чем Р.Н., космические орбиты.

МоТКА

5) Искусственные спутники земли (ИСЗ).

исз

6) Лунные космические аппараты (ЛКА), межпланетные космиче­ские аппараты (МпКА)..

ЛКА, МпКА

Рис.20

Условные обозначения к рис.20:

ВСПК - вытеснительная система подачи компонентов, рис.21; 1-ЖРД с газогенератором, работающим на автономном топливе, рис.22; 2-ЖРД с газогенератором, работающим на основных компонентах топ­лива, рис.23;

3-ЖРД без газогенератора с газификацией охладителя в зарубашечном про­странстве, рис.24; 4-ЖРД с двумя газогенераторами, рис.25.

В зависимости от агрегатного состояния компонентов («Ж» -жидкость или «Г» - газ), поступающих в камеру сгорания, все конструктивные схемы ЖРДУ можно условно классифицировать на «Ж - Ж», «Ж -Г» или «Г -Г». Необходимо отметить, газификация компонента способствует улучшению энергетических показателей ЖРДУ.

В ЖРД с ВСПК, рис.21, рабочее тело (инертный газ) из газового акку­мулятора давления 1 через редукторы 2 направляется в баки окислителя и го­рючего 3. Далее окислитель поступает в смесительную головку 4 камеры, а горючее в зарубашечное пространство, образованное двойными стенками ка­меры ЖРД.

Основным преимуществом данной схемы является конструктивная простота (отсутствие ТНА). Однако, для ЖРД работающих по указанной схеме характерны сравнительно невысокие значения тяги и удельного импульса, что

Рис.21

определило ее применение в качестве двигателей ориентации. Кроме того, в связи с нагруженностью баков для компонентов избыточным давлением они выполняются толстостенными, что приводит к существенному ухудшения мас­совых характеристик ЖРДУ в целом.

В данной конструктивной схеме ЖРДУ, рис.22, в качестве рабочего тела приведения во вращение турбины 1 ТНА используется перекись водорода. поступающая в парогазогенератор 8 и разлагающаяся в нём под действи­ем катализатора перманганата калия К Mg0₄ с образованием парогаза при температуре 600 - 800К. Парогаз направляется на лопатки турбины, обеспечи­вая вращение насосов 2, 3, 4 и, следовательно, подачу компонентов в комеру сгорания ЖРД - 5. Генераторный газ из турбины выбрасывается через патрубок 6 а сопло 7 за пределы двигателя. В некоторых ЖРД, работающих по указан-ной схеме, генераторный газ использовался для создания управляющих усилий для ориентации ЛА в пространстве и для создания дополнительной тяги путём его введения в расширяющуюся часть сопла. Данная конструктивная схема ЖРДУ использовалась до 70 годов двадцатого столетия.

Рис23

Особенностью данной конструктивной, рис.23, схемы является более эффективное использование генераторного газа, путём его подачи в смеситель-нуюголовку камеры через газовод 9. В зависимости от соотношения компо-нентов (величины коэффициента избытка окислителя - а), подаваемых в газо­генератор, он может быть окислительного или восстановительного типа. Дав-ление в полости турбины должно быть выше давления в смесительной головке на величину гидравлического сопротивления газовода.

Конструктивная схема ЖРД, представленная на рис.24, используется, когда в качестве одного из компонентов применяется жидкий водород, который проходя через систему последовательно расположенных насосов (снижение вероятности взрыва при резком повышении давления компонента), направляет-

ся в зарубашечное пространство камеры, образованное её двойными стенками, где газифицируется и в дальнейшем поступает на лопатки турбины, приводя во вращение насосы, а затем - через газовод в смесительную головку камеры.

Рис.25

В данной конструктивной схеме ЖРДУ. рис.25, оба компонента посту­пают в головку камеры в газообразном состоянии. При этом один изгазогене­раторов относится к окислительному типу, другой - к восстановительному.

5.3. Общие сведения о жидкостных ракетных топливах (ЖРТ) Классификация ЖРТ

Успешное освоение космического пространства осуществляется в основном с помощью жидкостных ракетных двигательных установок (ЖРДУ). Жидкие ракетные топлива, по сравнению с твердыми (ТРТ) обеспечивают лучшие энергетические характеристики, возможность многократного включе-ния и выключения двигателя, а также оперативное изменение тяги при полете

-А. Перспективное в принципе использование ядерных ракетных двигателей сдерживается в настоящее время их массовыми характеристиками, а также

сложностями, связанными с обеспечением радиационной безопасности и отво- з:ч тепла от активной зоны после выключения двигателя, вследствие остаточ-ного тепловыделения радиоизотопов — продуктов цепной реакции деления. Несомненно, что ЖРТ останутся основным энергетическим источником для ракетных двигателей различного назначения на ближайшие десятилетия.

В ракетных двигателях на химическом топливе выделение энергии происходит за счёт следующих химических реакций:

а) реакции окисления —восстановления (окисления), когда энергия вы­
деляется при реакции между окислительными и горючими элементами; топли­
во состоит в этом случае по крайней мере из двух веществ — окислителя и го­
рючего;

б) реакции разложения, когда тепло выделяется в процессе разложе-
ния сложного вещества на более простые; топливо в этом случае может состо­
ять только из одного вещества;

в) реакции рекомбинации (соединения), когда тепло выделяется при
соединении одноименных атомов или радикалов в молекулы.

Окислитель и горючее в общем случае являются сложными соедине-ниями. в состав которых могут входить как окислительные, так и горючие эле­менты, а также нейтральные.

Горючим является такое вещество, которое независимо от того, содер­жатся в нем окислительные элементы или нет, для полного окисления своих горючих элементов требует окислителя извне. Так, например, этиловый спирт С₂ Н₅ ОН, кроме горючих элементов (С и Н), содержит в себе и окислительный элемент — кислород, но его совершенно недостаточно для полного окисления горючих элементов спирта; поэтому этиловый спирт является горючим.

Окислителем является вещество, в котором хотя и могут быть горючие элементы, но окисляющих элементов в нем имеется значительный избыток, так что при полном окислении его собственных горючих элементов остается сво-5одное количество окислительных элементов, которые могут быть использова-ля окисления какого-либо другого горючего. Например, азотная кислота HNO₃ или перекись водорода Н₂ 0₂ содержат в себе горючий элемент — водор од, однако окислительный элемент (кислород) в них имеется в таком ко­личестве, что при полном окислении водорода азотной кислоты или перекиси водорода в них остается избыток кислорода, который можно использовать для

окисления какого-либо горючего; поэтому HN0₃ и Н₂0₂ являются окислите­лями.

К горючим элементам относятся углерод С, водород Н, бор В, алюми­ний А1, литий Li и другие. Окислительными элементами являются фтор F, ки­слород О, хлор О. Фтор и кислород значительно превосходят по эффективно­сти другие окислительные элементы.

Доли окислителя и горючего в топливе определяются величиной, на­зываемой соотношением компонентов. Теоретическим (стехиометрическим) соотношением компонентов называется такое минимальное количество окис­лителя, которое необходимо для полного окисления 1 кг горючего. Иначе гово­ря, теоретическое соотношение компонентов, это такое отношение расходов окислителя и горючего, при котором окислитель полностью окисляет горю­чее, не оставаясь при этом в избытке.

Действительным соотношением компонентов называется дейст-

вительное отношение расходов окислителя и горючего, подаваемых в камеру, которое может отличаться от теоретического. Обычно

Отношение называется коэффициентом избытка окислителя.

Коэффициент избытка окислителя, при котором получается максимальная ве­личина удельного импульса, называется оптимальным.

На рис.26 представлена классификация жидкостных ракетных топлив, а в таблице 1 - их основные параметры и области применения.

Тип топлива	Характер воспламе­нения					Область приме­нения
	Катали­затор	-				Рабочее тело для турбины
	Катали­затор	-				Рабочее тело для турбины или вспомогательно­го ЖРД
	Самовосп.	3,0				Маршевые дви­гатели РН типа «Про­тон»
	Несамовосп.	2,7				Маршевые дви­гатели РН «Со­юз» и 1-ой сту­пени «Энергия»
	Самовоспл.	3,0				Маршевые дви­гатели ракет и малых РН
	Самовоспл.	15, 0				Опытные образ­цы сверхмощных РН
	Несамо-воспл.	6,0				Маршевые дви­гатели верхних ступеней РН

Топлива ракетных двигателей могут быть разделены на следующие: жидкие топлива раздельной подачи (многокомпонентные) и жидкие унитарные (однокомпонентные) топлива.

В случае жидкого топлива раздельной подачи выделение энергии про-исходитв результате реакции окисления — восстановления. Процесс окисле-ния условно может быть представлен как обмен электронами на внешней элек-троннойоболочке атомов, участвующих в этом процессе. При этом атомы горючих элементов отдают свои электроны, а атомы окислительных элементов приобретаютих.

Унитарным (однокомпонентным) топливом может быть такое индиви-дуальноевещество или такая заранее приготовленная смесь веществ, которые при определенных условиях выделяют тепло в результате химических реак-ций разложения или окисления; в последнем случае все необходимые для окис-

ементы находятся в самом унитарном топливе. Несомненным преиму-ществом унитарных жидких топлив перед жидкими тонливами раздельной подачиявляется большая простота конструкции двигателей, использующих эти топлива, так как при этом требуется лишь одна линия системы подачи.

Однако жидкие унитарные топлива не нашли широкого применения в

ЖРДи используются главным образом для вспомогательных целей, например,

для привода турбин турбонасосных агрегатов, а также для вспомогательных

двигателей малых тяг, предназначенных для ориентации и стабилизации лета-

тельного аппарата. Это объясняется тем, что приемлемые по своим эксплуата-

ционным свойствам жидкие унитарные топлива обладают меньшей эффектив­ностью в сравнении с широко используемыми топливами раздельной подачи. Известны унитарные жидкие топлива, обладающие сравнительно высокой эф­фективностью, но они неприемлемы для эксплуатации, в основном из-за боль­шой склонности к взрыву.

Несмотря на заметное упрощение системы питания однокомпонентные ЖРТ, как мономолекулярные, так и смесевые, широкого распространения в ракетной технике не получили вследствие относительно низких энергетических характеристик и взрывоопасности.

Жидкие топлива раздельной подачи находят самое широкое примене­ние, так как они обеспечивают двигателю достаточно высокие удельные пара­метры при сравнительно приемлемых эксплуатационных свойствах.

Многокомпонентные гетерогенные топлива включают в себя высоко­энергетические пары типа 0₂ +Ве, О₃+Ве, F₂+Li и водород в качестве разбави­теля. Металл в порошкообразном состоянии может находиться в горючем и смесь при необходимости может быть подана в камеру центробежным насосом. Обычно в состав гетерогенных топлив включается полимерное горючее - связ­ка, предотвращающее вынос из камеры несгоревшего порошкообразного горю­чего.

Топлива, имеющие температуру кипения при Рн=101325 Па более 293 К называются высококипящими, а менее 120 К - низкокипящими (криогенны­ми). К последним относятся 0₂,_ж, Н_2,Ж, F_2,ж и они заправляются в ракету, как правило, непосредственно перед пуском.

Топлива раздельной подачи могут быть самовоспламеняющимися и не­самовоспламеняющимися. К первым относятся такие топлива, воспламенение которых начинается самопроизвольно при контакте окислителя и горючего в условиях, имеющихся в камере при запуске, без какого-либо дополнительного вмешательства. Несамовоспламеняющиеся топлива для первичного воспламе­нения (при запуске двигателя) требуют средства зажигания.

Смесь окислителя и горючего в общем случае является взрывоопасной. Поэтому все факторы, исключающие возможность накопления такой смеси в двигателе, повышают надежность двигателя. С этой точки зрения более выгод­ны самовоспламеняющиеся топлива, так как в силу высокой химической активности компонентов такого топлива накопление смеси окислителя и горю­чего практически невозможно. Высокая химическая активность самовоспламе­няющихся топлив часто является важным условием обеспечения устойчивой работы двигателя.

Наибольшее распространение получили двухкомлонентные самовос­пламеняющиеся и несамовоспламеняющиеся топлива.

В литературе можно встретить классификацию ЖРТ на взрывоопасные и взрывобезопасиые. Однако, такое деление топлив чисто условно, так как при несоблюдении правил хранения все ЖРТ склонны к саморазложению, воспла­менению и взрыву.

5.4. Требования, предъявляемые к ЖРТ

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

1. Энергетические требования.

2. Эксплуатационные требования для обеспечения надежной работы двигателя.

3. Требования при эксплуатации топлив вне двигателя.

4. Экономические требования.
Энергетические требования:

- высокая теплопроизводительность;

- 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 обо-

щенные водородом соединения углерода и азота.

Наиболее высокоэнергетическим ЖРТ является фторводородное топ-ливо теоретический удельный импульс в пустоте которого составляет 4880 Н с/кг, Р_к= 15 Мпа, а 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 то-пливо прочно вошедшее в ракетнокосмическую технику

Продукты сгорания кислородно-водородного топлива нетоксичны, а

сами компоненты коррозионно-неактивны, что создает благоприятные экс-

плутационные условия. К сожалению, кислород и водород при криогенных и

обычных температурах не обеспечивают самовоспламенения, поэтому для про-

цесса горения необходима система зажигания.

Эксплуатационные требования для обеспечения надежной работы двигателя. Жидкостной ракетный двигатель является высокотеплонапряжен-ным преобразователем тепловой энергии топлива в кинетическую энергию струи, и для его работы необходимо обеспечить надежное охлаждение камеры. Охлаждение огневой стенки камеры обычно осуществляют компонентами теп­лив. 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 Г 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.

б.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 жидкостии ис­ключает возможность образования паровых пузырей, вызывающихместные перегревы и точечные прогары стенок камеры.

8. Высокой скоростью сгорания;

9. Малым периодом задержки воспламенения.

Требования при эксплуатации топлив вне овигатая. Эксплуатацион­ные требования определяются свойствами топлив. Ими же определяются и экс­плуатационные затраты, связанные с заправкой, хранением и контролем. Вы­бор конструкционных материалов зависит как от коррозионнойактивности компонентов топлива, так и от их температуры застывания. Длительноехране­ние ЛА в заправленном состоянии требует высокой стабильности к омпонентов топлива. Отработка ЖРДУ на нетоксичных, пожаро- ивзрыво-безопааныхтоп-ливах значительно упрощается вследствие снижения требоваваний погерметич­ности, значительного удешевления стендовой базы, транспортныхрасходов. Значение эксплуатационных требований возрастает для пилотируемыхЛА, а также для аппаратов многократного использования и длительногохранения. Наконец, экологические проблемы требуют дополнительного и подробного анализа воздействия компонентов топлива и их продуктов, сгораниянаокру­жающую среду. Поэтому в данном случае желательно использоватьнетоксич­ные, пожаробезопасные, взрывобезопасные, коррозийно-неактивныеста-

бильные 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 Аl₂0₃, 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 хро-моникелевой 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 явтяется их стабильность при длительном хранении. Один из наиболее ненадежных компо­нентов ЖРТ при этом — перекись водорода, склонная к самопроизвольном}' 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/м³ воздуха, а для времени пребывания в 15—20 мин может достигать даже 0,2 мг/м³. 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

лозе (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.

5.5. 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 двухкомпо-нептном 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 шугообраз-ного 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 этана пропана 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 марщевых 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, термостати-рования 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 Центромим. М. В. Келдыша проведена расчетно-конструкторская, материаловедческая и техноло­гическая проработка ряда новых двигателей.

Большое внимание уделяется улучшению свойств высококипящих углеводородных горючих. Разрабатываются углеводородные горючиенефтяно­го 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, чемкеросин.

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 0₂ + Н₂.

Комбинация F_2,ж+N₂Н₄ и 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 Н₂0₂ достаточна для применения во многих случаях: чистые растворы концентрированной Н₂0₂ разлагаются со скоростью, меньшей 0,6% в год.

Топливо N₂0₄ + B₅H₉ 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 металлы Be, 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 добавляется до 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 представляет ВеН₂ и А1Н₃.

Плотность этих веществ довольно высока и равна 0.63 и 1.48г/см³ соот­ветственно. Идеальный удельный импульс в пустоте топлива Н₂0₂ - ВеН₂ при оптимальном соотношении компонентов составляет 4800 м/с. т. е. близок к удельному импульсу топлива F₂ + H₂. Это наиболее высокая характеристика для высококипящих топлив, горючее и окислитель которых являются индиви­дуальными веществами.

Вследствие высокой теоретической эффективности металлосодержащих топлив оправданным становится поиск решения вопросов их практического использования. Одной из важных проблем является проблема хранения и пода­чи металла в камеру сгорания. Важным также является поиск путей реализации высокого импульса в связи с потерями из-за неравновесного течения двухфаз­ной смеси в сопле, а также связанными с защитой камеры, от воздействия кон­денсированных частиц. Содержание конденсата (окислов алюминия, бериллия и др.) в продуктах сгорания при оптимальном соотношении компонентов со­ставляет до 40 % по массе, рис.27.

Рис.27

Гелеобразные топлива исследуют в связи с решением задачсоздания хранимой однородной суспензии металлов в компонентах топлива, увеличения срока хранения криогенных компонентов топлив в условияхнесовместимости, улучшения эксплуатационных характеристик топлив (гелирование способству-ет быстрому затуханию колебаний в баке) и т. д. Создание новыхгелеобразных топлив и комбинирование современных окислителей с гелеобразнымигорю­чими позволит существенно уменьшить размеры крупных ракет-носителей.

При получении гелеобразных топлив обычно используются химически активные или механические гелеобразователи. В качестве химически активных гслеобразователей применяют высшие жирные кислоты и их соли (мыла), вы­сокомолекулярные соединения (полимеры), тяжелые углеводороды. Механиче­скими гелеобразователями могут служить тонкоизмельченные металлы (разме-ром 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.

Date: 2015-05-05; view: 990; Нарушение авторских прав