книги / Введение в авиационную и ракетную технику

Рис. 3.32. Диапазон эксплуатационных температур: Тпл – температура плавления; Ткип – температура кипения

При соблюдении данных условий возможно длительное хранение КРТ в баках ракет в жидком состоянии. Если ракета заправляется непосредственно перед стартом, то возможно использование криогенных топлив, у которых (Тпл, Ткип) < Тmin, но зато выше энергетика.

2.Высокие энергетические свойства и высокая плотность топлива, т.е. возможность достижения высокого удельного импульса тяги при меньшем объеме топлива, что позволяет создать ракету минимальных габаритов и массы.

3.Соответствие современным технологиям:

•должна быть отработана технология хранения, эффективного

иполного сжигания данных КРТ;

•желательно, чтобы КРТ обладали низкой вязкостью и высокой теплоемкостью (это важно для использования КРТ для охлаждения стенок КС и РС).

4. Высокие эксплуатационные качества, т.е. высокая температура вспышки и воспламенения, низкие токсичность, гигроскопичность, растворимость воды, агрессивность, высокая физикохимическая стабильность.

5. Экономичность, т.е. широкая сырьевая база, простая технология получения КРТ, двойное использование.

Физико-химические свойства КРТ приведены в табл. 3.1.

Классификация ЖРТ приведена на рис. 3.33.

Унитарные – однокомпонентные ЖРТ, реакция окисления (разложения) которых начинается при нагреве (перекись водорода) или введении катализатора (гидразин). Преимуществом унитарных ЖРТ является простая система подачи топлива в КС, однако они

имеют низкую энергетику Тк сс I . Используются в ос-

новном во вспомогательных РД или газогенераторах (ГГ). Многокомпонентные: двухкомпонентные (горючее + окисли-

тель); трехкомпонентные (горючее + окислитель + энергетические добавки). В качестве энергетических добавок, повышающих температуру горения, используют порошки легких металлов (бериллий, литий, алюминий) и их гидриды. Недостатком многокомпонентных ЖРТ является сложная система подачи топлива в КС, но они имеют более высокую энергетику, поэтому используются в маршевых РД.

152

Рис. 3.33. Классификация жидких ракетных топлив

Основные ЖРТ используются в маршевых РД для создания основной тяги.

Пусковые самовоспламеняющиеся ЖРТ используются для поджига основного несамовоспламеняющегося топлива.

Вспомогательные ЖРТ используются в ГГ для создания рабочего тела для газовой турбины (ГТ), рулевых машин (РМ) и т.п.

Низкокипящие (криогенные) ЖРТ – это сжиженные газы (О2, Н), кипящие при отрицательных температурах. Обладают высокой энергетикой, но не могут долго храниться в баках ракеты (испаряются при нормальной температуре окружающей среды).

Высококипящие ЖРТ сохраняют жидкое состояние во всем диапазоне эксплуатационных температур, но при этом обладают меньшей, чем криогенные ЖРТ, энергетикой. Однако они более удобны в эксплуатации, особенно для стратегических ракет, находящихся на боевом дежурстве.

В современных маршевых РД ракет стратегического назначения используется штатное двухкомпонентное, высококипящее основное ЖРТ на основе следующих КРТ:

153

1.Горючее – НДМГ (несимметричный диметилгидразин – «гептил»), представляет собой бесцветную (светло-желтую) легко воспламеняющуюся жидкость, «дымящуюся» на воздухе. «Гептил» имеет запах гниющей рыбы, крайне токсичен (предельно допустимая концентрация – 0,0001 мг/л).

2.Окислитель – АТ (азотный тетраксид – «амил»), представляет собой красновато-коричневую сильно летучую жидкость с резким характерным запахом кислоты. «Амил» обладает сильным коррозионным действием на углеродистые стали и сильнейшим раздражающим и удушающим действием на человека. При соединении с НДМГ самовоспламеняется.

В маршевых двигателях ракет гражданского назначения используется как криогенное несамовоспламеняющееся РТ (керосин + жидкий кислород – ракетоносители космических кораблей «Союз» и «Прогресс»), так и самовоспламеняющиеся РТ (НДМГ +

+АТ – ракетоноситель «Протон»).

Перспективы развития ЖРТ. Исследования в области создания новых топлив для РД направлены, в основном, на улучшение энергетических показателей и эксплуатационных качеств.

Низкая плотность Ткип жидкого водорода затрудняет его использование в космических летательных аппаратах (КЛА) для продолжительных полетов. В связи с этим представляется перспективным применение «шугообразного водорода», имеющего повышенную плотность и время хранения.

Низкомолекулярные углеводороды, такие как метан, этан, пропан в жидком состоянии, имеющие очень низкую стоимость, широкую сырьевую базу и являющиеся хорошими хладагентами, могут с успехом применяться в ракетоносителях.

Самую высокую энергетическую эффективность и сравнительно высокую плотность имеют топлива на основе жидкого фтора в качестве окислителя и водорода в качестве горючего (Iу = 4800 м/с). Однако его использование затруднено крайне высокой токсичностью и агрессивностью фтора.

Большой интерес вызывает использование в качестве горючих легких металлов, таких как бериллий, литий, алюминий и их гид-

154

ридов. При горении этих металлов в кислороде О2 выделяется больше теплоты, чем при горении водорода Н. Добавки этих металлов к жидким горючим способны увеличивать удельный импульс тяги Iу топлив на 25 %.

Однако возникают трудности с хранением и подачей металлов

вКС РД. Проблему хранения однородной суспензии металлов

вжидком горючем решают путем «гелирования». Превращение жидких компонентов в гелеобразные осуществляют с помощью добавок загустителей в виде высших полимеров и жирных кислот. Гель в статических условиях ведет себя как твердое тело, а при нагреве и приложении сдвиговых усилий (работа насоса) начинает течь подобно жидкости.

Таким образом, достижения в области химии и технологии позволяют создать эффективные топлива и обеспечить надежное обращение с ними. В то же время следует иметь в виду, что в реше-

нии задачи создания новых видов топлива современная химия практически достигла предела по объективным причинам. А новые технологии позволяют только незначительно повышать качество топлива, не обеспечивая радикальный прорыв в этой области.

Из вышесказанного следует, что наряду с работами по улучшению существующих топлив и поиску новых необходимо подумать о принципиально новом подходе к решению задачи повышения удельного импульса тяги в несколько раз, а не только на несколько процентов.

3.11.2.2. Твердые ракетные топлива (ТРТ)

ТРТ – вещество в твердом состоянии, содержащее в своем составе все необходимые компоненты для осуществления химической реакции горения с образованием газообразных продуктов сгорания, создающих реактивную силу при истечении из РС.

К качеству ТРТ предъявляются следующие требования:

1. Высокие энергетические свойства. Возможность достижения высокого удельного импульса тяги Iу за счет высокой темпера-

155

туры в КС Тк и газовой постоянной R позволяют создать ракету минимальной массы. Для сравнения ТРТ по критерию Iу исполь-

зуют стандартный Iст, полученный при отношении pк 40 .

рс 1

Иногда используется критерий – сила топлива f = RТк или приведенная сила топлива fпр = RТк/n.

2.Высокая плотность. Позволяет создать ракету минимальных размеров.

3.Высокие механические свойства. Обеспечивают создание заряда определенной формы, способного сохранять его под воздействием нагрузок, возникающих на всех этапах эксплуатации.

Оцениваются при помощи: предела прочности σпр, модуля упругости Е, предельного относительного удлинения εпр. Так как ТРТ является полимером, то ему присущи «ползучесть» и «релаксация», т.е. свойства ТРТ зависят еще и от времени действия нагрузок. Низкий коэффициент теплопроводности λ = 0,2…0,3 (в 100 раз меньше, чем у стали) позволяет ТРТ хорошо защищать стенки КС

от воздействия высоких температур Тк зоны горения, однако это же приводит к возникновению в заряде тепловых напряжений при изменении температуры окружающей среды. Высокая эластичность предохраняет заряд от разрушения при воздействии температурных напряжений и высоких давлений рк в КС.

4.Химическая и физическая стабильность. Необходима для со-

хранения свойств заряда при длительном хранении ракеты на боевом дежурстве.

5.Равномерность состава ТРТ по объему заряда (однородность). Обеспечивает неизменность характера горения в течение всего времени горения заряда.

6.Экономичность – распространенность сырья, простота технологии изготовления ТРТ.

7.Независимость свойств ТРТ от влажности, температуры, нагрузок.

8.Нетоксичность.

9.Необходимая скорость горения (u = ddl – важнейший параметр!).

156

щий от химического состава и начальной температуры Т0 ТРТ; k ≈ 1,25 – показатель адиабаты продуктов сгорания (ПС) ТРТ.

От значения u зависит величина секундного массового рас-

где Sгор – площадь горения.

ТРТ делятся на двухосновные однородные (гомогенные)

исмесевые (гетерогенные) топлива из разнородных физически

ихимически компонентов.

Двухосновные ТРТ (ДТРТ) – это твердые коллоидные растворы органических веществ, молекулы которых содержат как восстановительные, так и окислительные элементы. 1-я основа – нитроцеллюлоза C6 H7 O2 (OH)3 (ONO2 )x n , содержит избыток вос-

становительных элементов. 2-я основа (растворитель) – нитроглицерин C3H5 (ONO2 )3 , содержит избыток окислительных элементов.

Стехиометрическое соотношение 2-й и 1-й основ 8,75/1, но если 2-й основы в растворе более 15 %, он становится желеобразным.

Для того чтобы двухосновное ТРТ было твердым, необходимо соотношение 2-й и 1-й основ менее 1/6,6, следовательно, главный минус ДТРТ – большой недостаток окислителя (низкая энергетика топлива).

Достоинствами ДТРТ являются бездымность и высокая скорость горения, что определяет область применения ДТРТ в РД авиационных ракет класса воздух – воздух. Недостаток – низкий удельный импульс тяги (Iу < 2300 м/с).

Нитроцеллюлоза изготовляется из хлопка, который является стратегическим сырьем.

157

Смесевые топлива (СТРТ) – это механические смеси веществ, содержащих либо преимущественно окислительные, либо преимущественно восстановительные элементы.

Состав СТРТ:

1)кристаллический окислитель (соли легких металлов);

2)полимерное горючее (связующее);

3)порошок легких металлов и их гидридов;

4)мощное взрывчатое вещество;

5)технологические добавки.

1. Соли легких металлов:

•перхлорат калия (KClO4);

•перхлорат лития (LiClO4);

•перхлорат нитрония (NO2ClO4);

•перхлорат аммония (NH2ClO4) – высокое содержание кислорода О2 (54,45 %), являетсянаиболеераспространеннымокислителем.

2. Тяжелые нефтепродукты – в основном каучуки, при полимеризации связывают все компоненты и определяют механические свойства заряда СТРТ.

3. Энергетические добавки (легкие металлы или их гидриды):

Ве; Al; Mg; B; BeH2 ; AlH2 и т.п. в количестве, не превышающем 10–20 %. Позволяют увеличить температуру продуктов сгорания

Тк cc I .

4. Мощное взрывчатое вещество – гексаген (С3 H6O2 N6 ) в количестве, не превышающем 16–25 %, повышает энергетику заряда ( Тк и рк ), является окислителем. При содержании в более 25 %

гексагенасущественновозрастаетвзрывоопасностьзарядаизСТРТ. Качество заряда из СТРТ в значительной степени зависит

от точного соблюдения технологии его изготовления. Этапы изготовления заряда из СТРТ:

•подбор по размерам (просеивание через сито) компонентов;

•тщательное перемешивание компонентов со связующим (полимерным горючим), находящимся в жидком состоянии;

•заливка в корпус ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ) в вакууме, для исключения образования в объеме СТРТ воздушных пузырей и несплошностей;

•полимеризация связующего (горючего) при его нагреве.

158

Заряд из СТРТ имеет цилиндрическую форму с центральным отверстием, по поверхности которого происходит горение, и обладает следующими механическими свойствами: низкая прочность (σпр = 1,5…5,0 МПа); низкая жесткость (Е = 10…20 МПа); высокая эластичность (εпр = 10…40 %).

СТРТ обеспечивают создание удельного импульса тяги Iу ≈ ≈ 2400 м/с и широко применяются в маршевых РДТТ стратегических ракет и конверсионных ракетоносителях гражданского назначения для вывода на орбиту ИСЗ космических летательных аппаратов (КЛА).

3.11.3. Жидкостные ракетные двигатели (ЖРД)

3.11.3.1. Классификация ЖРД

По типу агрегата, создающего давление подачи КРТ в КС, системы подачи топлива ЖРД подразделяются на вытеснитель-

ные и насосные (рис. 3.35).

Рис. 3.35. Классификация ЖРД

159

При использовании системы с вытеснительной подачей КРТ

втопливных баках создается избыточное давление нейтрального газа (например, азота), которое выдавливает КРТ по трубопроводам в КС РД. Однако, несмотря на простоту конструкции, данная система имеет серьезные недостатки. Во-первых, она не может обеспечить высокие значения массового расхода топлива в КС, вовторых, наличие избыточного давления в баках с горючим и окислителем требует повышенной прочности стенок баков и приводит к их значительному утяжелению. Поэтому вытеснительные системы применяются, в основном, во вспомогательных двигателях малой тяги, предназначенных для управления и коррекции траектории полета КЛА и боевых блоков МБР с разделяющимися головными частями.

Вмаршевых ЖРД применяется насосная подача топлива, обеспечивающая большие расходы КРТ и высокое давление в КС. Для привода топливных насосов используют газовую турбину (ГТ). Низкотемпературный газ для вращения ГТ вырабатывается

вгазогенераторе (ГГ). ГТ приводит в действие (вращает) центробежные (ЦБ) насосы подачи в камеру сгорания (КС) окислителя

игорючего.

Обычно ГТ и ЦБ насосы находятся на одном валу и объединяются единым корпусом в турбонасосный агрегат (ТНА). ГГ представляет собой индивидуальную камеру сгорания и может «питаться» как от вспомогательного (обычно унитарного), так и от основного жидкого ракетного топлива (ЖРТ).

3.11.3.2. Принципиальные схемы ЖРД

Схема без дожигания генераторного газа приведена на рис. 3.36.

Работа на установившемся режиме. Горючее Г и окисли-

тель О из баков подаются с помощью ЦБ насосов 3, 4 в камеру ЖРД 1 и в ГГ 5, причем горючее подается в камеру через коллектор и, проходя между стенками камеры 1, охлаждает ее.

160