Рассмотрим соотношение компонентов в двухкомпонентном топливе. Горючее содержит преимущественно элементы с электроположительной валентностью (С, Н, AI, В и др.), а окислитель - с электроотрицательной валентностью: О, CI, F и др. Окислитель и горючее применяют в определенном соотношении. Для обеспечения полного сгорания одного моля горючего - полного замещения валентностей горючих элементов валентностями окислительных элементов - требуется молей окислителя. Величину (молей окислителя/моль горючего) называют мольным стехиометрическим соотношением компонентов топлива.
Число свободных (незамещенных) электроположительных валентностей в одной молекуле горючего составляет , число свободных электроотрицательных валентностей в одной молекуле окислителя - , где vi - валентность, - число атомов химического элемента в условной молекуле горючего и окислителя.
Тогда . (3.4)
Значению соответствует массовое стехиометрическое соотношение (кг окислителя/кг горючего) и объемное стехиометрическое соотношение (м3 окислителя/м3 горючего) компонентов топлива. Из определения следует, что , (3.5)
Рассмотрим пример вычисления стехиометрического соотношения компонентов топлива. Значение валентности некоторых элементов приведены в таблице 3.1.
Таблица 3.1
| Элемент | О | Н | С | N | F | Al |
| -2 | -1 |
Топливо: окислитель - азотная кислота , молярная масса = 63,
горючее - этиловый спирт , молярная масса =46.
, , по (3.4) и (3.5) получим:
, .
Действительное соотношение компонентов в топливе ( или ) отличается от стехиометрического. Отношение величин или соответствующее стехиометрическому значению называют коэффициентом избытка окислителя:
(3.6)
Рассмотрим интервалы , используемые в ЖРД.
Рис 3.3 Зависимость температуры сгорания от
Интервалы изменения в агрегатах ЖРД:
<1 0,1-0,25 - отрицательный кислородный баланс - жидкостные генераторы газа (ЖГГ), жидкостные ракетные двигатели малой тяги (ЖРДМТ),
1,0 (0.5 - 0.95) - маршевые двигатели,
>1 10-20 - ЖГТ (положительный кислородный баланс).
В соответствии с реакционной способностью окислителя и горючего топлива разделяют на самовоспламеняющиеся и несамовоспламеняющиеся. Самовос-пламеняющиеся компоненты топлива во всем диапазоне эксплуатационных температур и давлений реагируют при контакте в жидкой фазе с выделением теплоты. Разогрев горючей смеси инициирует предпламенные экзотермические реакции, которые разогревают топлива до температуры кипения и выше, и происходит воспламенение. Характеризуются временем задержки воспламенения - временем от момента соприкосновения горючего и окислителя в жидкой фазе до появления пламени.
При несамовоспламеняющихся топливных парах специальной системой в момент запуска двигателя создается воспламенительный факел. От него воспламеняются первые порции топлива, поступающие в камеру, а последующие поджигаются продуктами сгорания предшествующих. По интервалу температур сохранения жидкого состояния топлива или их компоненты подразделяют на высококипящие и низкокипящие. Высококипящие - это компоненты, температура кипения которых выше 298 К. При эксплуатации на земле в обычных условиях они представляют собой жидкость и хранятся без потерь на испарение (или с малыми потерями). Низкокипящие компоненты при атмосферном давлении имеют температуру кипения ниже 298 К и находятся в газообразном состоянии.
Среди низкокипящих выделяют группу криогенных компонентов, температура кипения которых ниже 120 К. Такой компонент нельзя хранить как жидкость без принятия специальных мер. Криогенными являются сжиженные газы: кислород, водород, фтор, метан, пропан и др. Для уменьшения потерь на испарение и увеличения плотности возможно применение криогенного компонента в шугообразном (от англ. sugar) состоянии - в виде подвижной двухфазной смеси твердой и жидкой фаз этого компонента.
По физической и химической стойкости в течение длительного времени различают топлива длительного хранения или стабильные и топлива кратковременного хранения. Компоненты стабильных топлив имеют при максимальной температуре в условиях эксплуатации давление насыщенного пара ниже допустимого по условиям прочности баков, допускают хранение в баках ракеты без существенных потерь.
Окончательно сформулируем требования к жидким топливам:
1. Высокая баллистическая эффективность - большой удельный импульс и большая плотность топлива.
2. Благоприятные экологические свойства - нетоксичность компонентов и продуктов сгорания.
3. Неагрессивность компонентов топлива - отсутствие коррозионного действия на конструкционные металлы и разрушающего действия на неметаллические материалы.
4. Высокая температура кипения, низкая температура замерзания компонентов.
5. Малое значение вязкости (для условий подачи и смесеобразования), большая теплоемкость и теплопроводность компонентов (важно для организации тепловой защиты).
6. Высокая химическая и физическая стабильность компонентов в условиях хранения и применения ракеты.
7. Низкая стоимость компонентов - для справки: тонна жидкого водорода может стоить 10 000$.
8. Взрывобезопасность.
9. Продукты сгорания должны находиться в камере в газообразном состоянии. Ни одно топливо всем этим требованиям удовлетворить не может и проектировщики находят компромиссные решения в соответствии с целями создания ракетного комплекса путем проработки различных вариантов рецептур и имеющегося опыта создания и эксплуатации изделий.
3.3.2. Основные характеристики жидких топлив
Рассмотрим типичные криогенные окислители:
Кислород. Прозрачная голубоватая жидкость, имеет следующие физико-химические характеристики: температура кипения 90 К, плотность при этой температуре – 1140 кг/м3, температура плавления 54 К, критические параметры - температура 154 К, а давление 4,9 МПа. Энергетические возможности двух топлив с типичными для кислорода горючими: углеводородным Т-1 (керосин) и жидким водородом показаны в таблице 3.2 (здесь и в других таблицах значения удельного импульса вычислены для стандартных условий: ,
pa = 0,1 МПа. Плотность топлив определена по формуле , где , - плотность и доля i-ого компонента топлива.
Таблица 3.2
| Горючее | , м/с | , кг/м3 | |||
| Т-1 | 3,35 | 0,8 | |||
| 0,5 |
Топливо кислород + водород обладает наибольшим импульсом, имеет меньшую температуру продуктов сгорания, что важно для организации тепловой защиты, но уступает по плотности. Ни с одним горючим кислород не дает самовоспламенения. Оба топлива нашли применение в ДУ ракет-носителей среднего и тяжелого класса.
Топливные баки, арматуру и собственно двигатели для кислорода выполняют из алюминиевых сплавов, латуней и нержавеющих сталей.
Фтор. Желтая прозрачная жидкость с удушливым запахом, имеет характеристики: температура кипения 85 К, плотность при этой температуре -1510 кг/м3, температура плавления 53 К, критические параметры - температура 144 К, а давление 5,4 МПа. Самый химически активный окислитель, взаимодействует со всеми элементами, задержка самовоспламенения с горючими не превышает 0,0003 с.
Энергетическая эффективность показана в таблице 3.3 по аналогии с кислородом.
Таблица 3.3
| Горючее | , м/с | , кг/м3 | |||
| Т-1 | 8,05 | 0,3 | |||
| 0,4 |
Удельный импульс топлива фтор + водород больше, чем у пары кислород + водород, но существенно выше температура продуктов сгорания ввиду низкого значения их теплоемкости и меньшей склонности к диссоциации. Фтор является чрезвычайно опасным в обращении продуктом - ПДК = 0,00001 мг/л, все работы с ним ведутся в герметичном защитном костюме и в изолирующем противогазе.
Все высококипящие окислители ( > 293 К) содержат наряду с окислительным элементом (кислородом) и элементы-носители (азот и водород).
Азотная кислота. Прозрачная желтоватая жидкость, имеет характеристики: температура кипения 357 К, плотность при Т= 293 К - 1510 кг/м3, температура плавления 231 К. С рядом горючих (аммиак, амины, несимметричный диметилгидразин) дает самовоспламенение с малым периодом задержки. Энергетическая эффективность топлива на основе азотной кислоты невелика, как показано в таблице 3.4
Таблица 3.4
| Горючее | , м/с | , кг/м3 | |||
| Т-1 | 5,35 | 0,9 |
Азотная кислота является высокоопасной в обращении вследствие токсичного действия оксидов азота.
Азотный тетроксид (). Темно-бурая жидкость, «дымящая» на воздухе, имеет характеристики: температура кипения 294,5 К, плотность при Т= 293 К – 1450 кг/м3,температура плавления 262 К. С горючими на основе аминов и несимметричным диметилгидразином обеспечивает самовоспламенение.
Энергетические возможности окислителя показаны в таблице 3.5
Таблица 3.5
| Горючее | , м/с | , кг/м3 | |||
| T-1 (керосин) | 4,9 | 0,85 | |||
| Несимметричный диметилгидразин | 3,07 | 0,9 | |||
| Гидразин | 1,44 | 0,95 |
Топливо AT + гидразин по значению удельного импульса приближается к топливу кислород + керосин и превосходит его по значению плотности. Но в отечественном ракетостроении этот окислитель нашел значительное применение в сочетании с горючим - несимметричным диметилгидразином. По ряду критериев: баллистическая эффективность, самовоспламеняемость, приемлемые значения температуры кипения и замерзания, возможность многолетнего хранения ракеты в заправленном состоянии такое топливо оказалось лучшим. Двигательные установки ракеты «Протон» созданы еще в 60-е годы именно на этом топливе, до сих пор ракета является самым мощным носителем на высококипящих компонентах.
Теперь обратимся к углеводородным горючим. Таковыми являются индивидуальные вещества или смеси различных по строению веществ, практически полностью состоящие из двух элементов: углерода и водорода. Обычно применяют смеси, получаемые прямой перегонкой нефти и переработки ее отдельных фракций. Горючие как индивидуальные вещества являются синтетическими продуктами.
Элементарный состав горючего: С, Н, S, О, N. Сера, кислород, и азот присутствуют в малых количествах, не оказывают существенного влияния на энергетические показатели топлива. Но сера и ее соединения сильно влияют на эксплуатационные характеристики горючего - оказывают коррозирующее действие и способствуют смолообразованию в горючем.
Горючее Т-1. Бесцветная жидкость с запахом нефтепродуктов, получаемая прямой перегонкой нефти малосернистых сортов. Состав горючего выражает условная формула . Плотность при Т = 293 К - 810 кг/м3. Применяется обычно в паре с жидким кислородом. Эффективность показана в таблице 3.2. Горючее не самовоспламеняется ни с чем, кроме фтора.
Легкие парафины (формула ). Из всех соединений водорода самым «водородосодержащим» является метан и его ближайшие гомологи в ряду парафинов. Эти продукты стабильны, неагрессивны, нетоксичны и дешевы в получении. Свойства их показаны в таблице 3.6.
Таблица 3.6
| Продукт | Ткип , К | Тпл , К | , кг/м3 | Ткр , К | МПа |
| Метан, | 111,4 | 90,5 | 4,64 | ||
| Этан, | 184,5 | 4,91 | |||
| Пропан, | 4,36 |
Энергетические возможности этих горючих в паре с жидким кислородом показаны в таблице 3.7.
Таблица 3.7
| Горючее | , м/с | , кг/м3 | , К | ||
| Метан | 4,9 | 0,8 | |||
| Этан | 3,07 | 0,8 | |||
| Пропан | 1,44 | 0,8 |
В настоящее время приступили к реализации криогенных углеводородных горючих в двигателестроении - они доступны, дешевы, могут долго храниться в условиях космического пространства и имеют высокие значения удельного импульса.
Давно рассматривается применение в качестве горючего металлов Be, Li, A1 и их гидридов. При горении этих металлов в кислороде и фторе на единицу массы продуктов сгорания выделяется больше теплоты, чем при горении водорода. Но трудности подачи металлов в камеру сгорания и возникающие дополнительные потери удельного импульса из-за двухфазности продуктов сгорания (газ + жидкие частицы окислов металлов) пока исключают реализацию жидких топлив с добавками металлов в практике двигателестроения.
Можно считать, что в распоряжении разработчиков ракет и их двигательных установок имеется широкий набор компонентов топлив, позволяющий решить задачи создания новых ракетных комплексов для исследования и эксплуатации космического пространства.