книги / Химия и технология баллиститных порохов, твердых ракетных и специальных топлив. Т. 1 Химия

о А ю

Рис. 96. Удельный импульс, температура и плотность системы НГЦ/НЦ (40/60) — гексоген — алюминий

Глава 8

ПЛАЗМООБРАЗУЮЩИЕ ТОПЛИВА И МГД-ГЕНЕРАТОРЫ1

Магнитогидродинамические генераторы мощной электри­ ческой энергии, работающие на продуктах сгорания химиче­ ского топлива с легкоионизирующимися добавками, известны сравнительно давно [136].

Наибольшее распространение получил самовозбуждающийся генератор, в котором генерируемая мощность больше, чем потери в обмотке магнита.

На рис. 97 представлена принципиальная схема МГД-гене- ратора, работающего на ракетном двигателе.

Высокотемпературные продукты сгорания, обладающие за счет специальных добавок достаточно высокой электропровод­ ностью, из генератора плазмы (камеры сгорания) через сопло, где формируется сверхзвуковой поток, поступают в канал (блок преобразования энергии).

Две противоположные стенки квадратного окна выполняют функцию электродов, другая пара является изоляторами.

Генерируемое магнитное поле направлено поперек потока и перпендикулярно изоляционным стенкам. При движении электропроводного газа в магнитном поле в соответствии с за­ коном индукции Фарадея, возникает ЭДС, перпендикулярная магнитному полю.

При замыкании электродов на нагрузку в канале возникает электрический ток, взаимодействующий с магнитным полем и генерирующий пондеромоторную силу (сила Лоренца).

Работа этой силы на длине канала и определяет электриче­ скую мощность генератора.

В представленной на рис. 97 схеме используется жидкост­ ной ракетный двигатель, имеющий достоинство с точки зре­ ния длительности генерирования энергии, но уступающий твердотопливному, который более простой по конструкции, постоянно готов к действию и способен генерировать сущест­ венно более высокую электрическую мощность.

Рис. 97. Принципиальная схема МГД-генератора, работающего на ракет­ ном двигателе

Работы по созданию генераторов этого класса проводились в 60...80-х годах кооперацией нескольких организаций: ФГУП «ФЦДТ «Союз», ИАЭ им. И. В, Курчатова, Нижегородский машиностроительный завод и др.

В процессе разработки предстояло решить три принципи­ альных задачи:

— разработать специальное плазмообразующее топливо, электропроводность продуктов сгорания которого составляет не менее 50 См/м, т. е. должна превышать более чем на четы­ ре порядка электропроводность существующих твердых ракет­ ных топлив;

— создать твердотопливный генератор плазмы как источ­ ник рабочего тела, обеспечивающий режим работы по давле­ нию и высокую эффективность преобразования химической энергии в кинетическую энергию продуктов сгорания;

— разработать МГД-канал, обеспечивающий работоспо­ собность в условиях высокой температуры (свыше 3000 К), эрозионного воздействия сверхзвуковых потоков (более 2000 м/с), длительный ресурс работы и высокую эффективность преобразования энергии.

Решение этих задач оказалось возможным на базе химии и технологии ТРТ, достижений в области конструирования ра­ кетных двигателей, технологии жаропрочных материалов и физики слабо ионизированной плазмы. За сравнительно ко­ роткий срок был разработан самовозбуждающийся твердотоп­ ливный МГД-генератор мощностью 10..Л2 МВт, затем МГД-генератор мощностью 40...50 МВт.

Данные генераторы послужили базой для создания геофи­ зических установок для глубинного электромагнитного зонди­ рования земной коры с целью поиска нефтегазовых месторож­ дений и прогноза землетрясений.

Плазмообразующие топлива

Обычные ракетные топлива, баллиститные и смесевые, не могут использоваться в качестве плазмообразующих по сле­ дующим причинам:

—отсутствуют добавки элементов, могущих ионизировать­ ся при температуре горения;

—низкая температура продуктов сгорания, при которой могли бы ионизироваться элементы с низким потенциалом ионизации;

—присутствие в продуктах сгорания элемента седьмой группы (С1 — перхлорат аммония), являющегося акцептором ионов с соответствующей нейтрализацией плазмы в целом.

Создание твердого плазмообразующего топлива требовало выполнения трех условий:

— исключение из состава элементов седьмой группы и их соединений (1МН4С104 и т. д.);

— введение в состав легкоионизирующихся элементов первой группы — щелочных металлов и их соединений — це­ зий (3,89 эВ), рубидий (4,18 эВ), калий (4,34 эВ);

— повышение температуры горения до уровня 3700 К и выше.

При разработке составов плазмообразующих топлив (ПТ) за основу было взято баллиститное ТРТ, не содержащее соеди­ нений элементов седьмой группы. Штатные БРТТ имеют тем­ пературу продуктов сгорания почти на 1000° ниже требуемой 294

для ПТ и не содержат легкоионизирующихся присадок. По­ этому даже в первом приближении они не могли выполнять функцию ПТ. На пути от обычного БРТТ к ПТ необходимо было решить несколько важных проблемных задач:

— ввести в состав топлива до 25% металлического горюче­ го (А1), обеспечив его сгорание в генераторе плазмы (а не за его пределами) с соответствующим повышением температуры

вканале генератора;

—найти способ ввода в химический состав ПТ водорас­ творимых азотнокислых солей металлов первой группы

(Сз>Юз, КМОз);

—обеспечить требуемые для классической технологии реологические характеристики высоконаполненного порошко­ образными компонентами (до 40...50 %) топлива;

—найти способы безопасной переработки гетерогенной композиции, склонной к конвективному горению и имеющей повышенную чувствительность к ударной волне (см. в разделе по технологии).

Решение данных задач потребовало постановки серьезных теоретических и экспериментальных исследований, позволив­ ших по сути дела создать как принципиально новое топливо, так и уникальную технологию.

Плазменные топлива, как уже отмечалось, должны отве­ чать всему многообразию требований, предъявляемых к высо­ коэнергетическим ТРТ, и, в первую очередь, как мы увидим позже, безопасности изготовления.

Принципиальное отличие этих топлив от ТРТ заключается в требовании к величине электропроводности, которая должна быть увеличена с 0,01 См/м в продуктах сгорания ТРТ до 20...200 См/м в плазменном топливе, т. е. на четыре порядка.

Крайне низкая электропроводность продуктов сгорания порохов является следствием их химического состава (С02, СО, N2. Н20, АЮ3). Потенциал ионизации продуктов сгорания та­ ких топлив весьма высок и составляет 12... 15 эВ.

Для полной ионизации в этом случае потребовалась бы температура в несколько десятков тысяч градусов.

Для обеспечения электропроводности ~ 50 См/м необходи­ ма температура не ниже 5000 К, что является недостижимым для современных ракетных топлив.

Повышение электропроводности продуктов сгорания может быть осуществлено несколькими способами.

Из нижеследующих выражений для электропроводности а, концентрации свободных электронов пе и подвижности элек­ тронов

			о = пееце		(8.1)
	1	(2лтекГ )>А		( еЕЛ	(8.2)
	" • Т " -		А3	еХР(” к Т )
			е		(8.3)
		<“ <■-	V /э ’

где е — заряд электрона; пк — объемная доля к-то компонента рабочего тела; 6* — эффективное транспортное сечение А-го компонента рабочего тела; те — масса электрона; к — посто­ янная Больцмана; А — постоянная Планка; се — средняя теп­ ловая скорость электрона; п ^ — концентрация добавки; Е1— потенциал ионизации.

Видно, что основными параметрами, определяющими уро­ вень электропроводности а, являются температура Т, концен­ трация ионизирующейся добавки и потенциал ее иониза­ ции Е-,.

Наименьшим потенциалом ионизации обладают следующие элементы первой группы:

Цезий Сз — 3,89 эВ, Рубидий КЪ — 4,08 эВ, Калий К — 4,34 эВ, Натрий N3 — 5,14 эВ.

Введение в состав топлив соединений этих элементов по­ зволяет получить электропроводность продуктов сгорания, представленную на рис. 98.

Наиболее эффективным легкоионизирующимся компонен­ том является цезий, затем рубидий. Калий значительно усту­ пает цезию, однако имеет преимущество как широко доступ­ ный и дешевый элемент.

Рубидий является рассеянным элементом и использование его соединений проблематично.

Таким образом, наиболее эффективными в качестве легкоионизирующихся добавок являются соединения цезия.

Учитывая дефицитность последнего и его токсичность, рассматривались и соединения калия.

При разработке опытных составов плазменных топлив про­ изводились термодинамические расчеты с определением элек-

296

Рис. 98. Зависимость электропроводности продуктов сгорания твердого то­ плива от температуры при различных ионизирующихся добавках (Р = 40 кгс/см2, гдоб = 0,01 в мольн. долях):

1 — Ыа; 2 — К; 3 — КЬ; 4 - Сз

трофизического комплекса аРК 2 (IV — скорость продуктов сгорания):

аУ/2= ст+ ^ ^ - ( л. - й0. ) ^ 2)

(8.4)

где — - — производная электропроводности по 1-му компо-

АП(

ненту; п,- — весовая доля 1-го компонента; п0{ — номинальная весовая доля 1 —го компонента.

Значение — ^ определялось термодинамическим расчетом:

ап1

Ао	Ао	Ао		Ао
АпА1	= - 5 ; Апиц = -1,5;	Апнгц ■= -	0,1;	АпК Ы О ,	= 1,6;

Ао

= 1,2 и т. д.

Аптех.()об.

Наиболее полную информацию при компоновке составов, обеспечивающих необходимый комплекс сгЮ^, дают тройные

диаграммы.		100 приведены диаграммы для систем: основа
На	рис. 99,
(НЦ+НГЦ) -		АМД-10 -	КЫ03 и основа - АМД-10	-
СзМ03.	видно	из диаграмм,	максимальное значение	для
Как

плазменных топлив на основе АМД-10 и СзЬЮз достигается на уровне 350 См/м (км/с)2, а для топлив на основе КЫ03 — около 240. Однако с учетом реальных требований к топливу

#

55

60

65

70

75

Рис. 99. Диаграммы равнозначных значений комплекса сЛУ2 для калийного баллиститного топлива с НГЦ/ коллоксилин = 1:1 и содержанием техно­ логических добавок 1,5% (по весу). Горючее — АМД-10

от термодинамически оптимального соотношения компонентов приходится отступать в сторону практически возможных.

Так, для составов на основе СзМ03 оптимальным являет­ ся соотношение компонентов Сз>Ю3 : АМД-1 0 баллиститная основа = 25:23:52, а практически реальное содержание

компонентов ограничивается значениями СзМ0 3 <		15%,
АМД-10 < 22%, что приводит к снижению	до	уровня
270 См/м (км/с)2.
Химический состав и характеристики плазменного топлива
первого поколения на основе СзМ0 3 в сравнении	с ракетным

металлосодержащим топливом и плазменным на основе 10Ю3 приведены в табл. 73.

35 40 45 50 55 «О 65 70 75 50 55 30 35

В&9&* ‘/о

Рис. 100. Зависимость электрофизического комплекса оЛУ2 продуктов сго­ рания баллиститного плазменного пороха СП-11 от содержания баллиститной основы состава нитроглицерин — коллоксилин = 50:50 с 2,4 % тех­ нологических добавок, сплава А1 —Ме = 90:10 (АМД-10), ионизирующей­ ся добавки (СбГЮз)

Таблица 73

Сравнительные характеристики плазменных и ракетных металлосодержащих топлив

	Характеристики	ТРТ |	Топлива
			СП-11 1	спк
	Химический состав, %		33,2	33.2
	Коллоксилин	51,0
	Нитроглицерин	33,0	31,8	31,8
	Алюминиево-магниевые сплавы:	10,0
	ПАМ-4		—	—
	АМД-10	___	22,0	22,0
	СзЫО,	___	11,0	-
	КЫО,
		___	—	11,0
	_ днт	2.5	—	—
	Добавки	3,5	2,0	2.0
	Электрофизические характеристики		__ ______	—
	Температура в камере сгорания МГД-гс-
	нератора при Рк/Ра = 40/1, К	3039	3745	3757
	/Электропроводность. См/м	0,1	69.1	23,8
	Комплекс оIV2. См/м /км/с)2	0,04	294.2	130

Как видно из таблицы, топливо на основе цезиевой селит­ ры удовлетворяет требованиям по электропроводности и мо­ жет быть использовано в МГД-генераторах. Топлива этого класса (СП-11, БП-10) широко использовались на начальном этапе отработки МГД-генераторов.

Однако, как уже было отмечено, токсичность и дефицит­ ность цезия стимулировали работы по созданию топлива на основе калиевой селитры. Для увеличения электропроводности в два раза (соответственно комплекса о№ ) нужно было увели­ чить количество селитры в составе (при постоянной темпера­ туре -3700 К) в четыре раза, что практически для топлив баллиститного типа нереально.

Аналогичный эффект по увеличению проводимости калий­ ного плазменного топлива достигается при увеличении темпе­ ратуры продуктов сгорания приблизительно на 150°, т. е. с 3700 до -3850 К.

Этот путь казался приемлемым и был взят в проработку. Были использованы два направления повышения температуры:

— повышения температуры сгорания сплава за счет мак­ симального снижения в алюминиево-магниевом сплаве содер­ жания магния;

— увеличения содержания металлического горючего в со­ ставе топлива.

В обоих случаях чисто механические действия в направле­ нии снижения магния в сплаве или увеличения содержания сплава в составе, ограничивались реологией топлив и невоз­ можностью их безопасной переработки не только на шнеко­ вых прессах, но и на вальцах.

Уменьшение содержания магния в сплаве приводит к сни­ жению микротвердости со 150... 170 кгс/мм2 до 70...80 кгс/мм2, что приводит к деформации (смятию) частиц металла в сило­ вом поле при контакте топлива с металлической поверхностью рабочих органов. Внешнее трение при этом возрастает до зна­ чения, сравнимого или превосходящего напряжение сдвига, при этом диссипативные тепловыделения возрастают до кри­ тического значения.

Решение проблемы требовало, в свою очередь, решения двух задач:

—повышения микротвердости частиц алюминия за счет его модификации небольшими присадками;

—снижения дисперсности сплава (укрупнение частиц) без увеличения времени его сгорания в камере МГД-генератора.