Жидкостные ракетные двигатели. В. Г. Попов, Н. Л. Ярославцев К65 Жидкостные
 Скачать 4.57 Mb.
|
|
29  Рис.21  Рис.22 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-ную головку 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-    Рис.24 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 компонентапоступают в головку камеры в газообразном состоянии. При этом один из газогенераторов 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-нияи 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 — водород, 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 компонентовназывается 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. 
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-исходит в результате реакции окисления — восстановления. Процесс окисле-ния условно может быть представлен как обмен электронами на внешней элек-тронной оболочке атомов, участвующих в этом процессе. При этом атомы горючихэлементов отдают свои электроны, а атомы окислительных элементов приобретают их. Унитарным (однокомпонентным) топливом может быть такое индиви-дуальное вещество или такая заранее приготовленная смесь веществ, которые приопределенных условиях выделяют тепло в результате химических реак-цийразложения 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 подачи является 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 ЖРД и 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, Н2,Ж, F2,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:
4. Экономические требования. Энергетические требования:
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 , Рк= 15 Мпа, аок = 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.
б.Наименьшей возможной вязкостью, так как при высокой вязкости резко растут гидравлические сопротивления, увеличивается давление насосов, что ведет к увеличению веса турбонасосного агрегата (ТНА).
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 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-безопааных топ-ливах значительно упрощается вследствие снижения требоваваний 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, коррозийно-неактивные ста- 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:
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 Центром им. М. В. Келдыша проведена расчетно-конструкторская, материаловедческая и технологическая проработка ряда новых двигателей. Большое внимание уделяется улучшению свойств высококипящих углеводородных 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. |
