книги из ГПНТБ / Волков Е.Б. Ракетные двигатели на комбинированном топливе

основные группы систем подачи жидкого компонента, выделен­

ные выше в классификации ГРД (вытеснительные		и насосные),
в свою очередь различаются по ряду признаков. В		дальнейшем
схемы систем подачи компонентов	будут рассмотрены подроб­
нее.
Классификация КРД по числу	возможных включений (за­
пусков), по-видимому, не нуждается	в пояснении.

Нами были рассмотрены только те признаки для классифика­ ции КРД, которые связаны с особенностями их схем и рабочих процессов. Помимо этого, комбинированные ракетные двигатели, конечно, могут классифицироваться и по другим — общим для всех ракетных двигателей — признакам, например, по величине

силы	тяги	(малой	силы	тяги, большой			силы тяги и т. д.), по на­
значению (КРД ракет-носителей,						КРД космических			аппаратов
и др.)	и т. п.
			1. 3. ТОПЛИВА ДЛЯ				КРД
			1.3. 1. Классификация топлив
Топлива		для комбинированных						ракетных	двигателей
делятся:						на	а)	двухкомпонентные и
по	количеству		компонентов
б) трехкомпонентные;				на
по	виду	компонентов
а) топлива, содержащие жидкий окислитель и твердое горю­
чее (топливо ГРД прямой схемы);
б) топлива, состоящие из твердого окислителя и жидкого го­
рючего (топливо ГРД обратной схемы);
в) топлива, в которых твердый компонент представляет собой
не «чистый» окислитель или «чистое»							горючее, а смесь			окисли­
теля	и горючего		(топливо		ГРД смешанной схемы);
г)	топлива, в		которых		и горючее		и	окислитель — твердые
(топливо РДТТ раздельного снаряжения).
Общие		требования к топливам				КРД		совпадают	с	общими

требованиями к топливам ракетных двигателей других типов:

а) топливо должно обеспечивать возможно больший удель­ ный импульс двигателя, т. е. обладать возможно большим запа­ сом энергии, которая высвобождается в процессе горения. При этом желательно, чтобы температура горения была невысокой, а повышение удельного импульса обеспечивалось наличием воз­ можно большей величины газовой постоянной продуктов сгора­ ния (возможно меньшей их молекулярной массы);

б) плотность	(масса в единице объема) топлива должна
быть возможно	большей;

в) компоненты топлива должны быть стабильными при хра­ нении, а температуры кипения и замерзания жидкого компонента должны быть такими, чтобы была возможна эксплуатация дви­ гателя в заданных условиях;

г) топлива	должны быть	удобными и безопасными				в	экс­
плуатации, по	возможности	неагрессивными	и	нетоксичными;
д) свойства топлив должны обеспечивать устойчивую						работу
двигателя в заданном диапазоне режимов;			жидкий		компонент
должен обладать свойствами, позволяющими использовать							его
для охлаждения камеры двигателя;
е) компоненты топлива должны иметь достаточную					сырьевую
и производственную базы и иметь доступную			цену.
Кроме этих общих требований, к компонентам				топлива			КРД

в определенных условиях, зависящих от типа и назначения дви­ гателя, для которого топливо предназначается, могут предъяв­ ляться и другие, специальные, требования, например:

а) определенные требования к закону скорости газификации твердого компонента, вытекающие из условий компоновки дви­ гателя и его регулирования;

б) требования к соотношению твердо-жидких компонентов (большая доля того или иного компонента), обеспечивающему получение желательных параметров всего двигателя;

в) требование самовоспламеняемости компонентов топлива и др.

Удовлетворить все требования к топливам в одинаково вы­ сокой мере обычно не удается и приходится (в зависимости от конкретных условий применения топлива) определять относи­ тельную важность различных требований, уделяя затем основ­ ное внимание выполнению именно тех из них, которые при­ знаны наиболее важными.

1.3.2. Окислители топлив для КРД

В качестве жидких окислителей топлив для гибридных ра­ кетных двигателей могут быть использованы практически все окислители, которые применяются или рассматриваются как воз­ можные для применения в топливах жидкостных ракетных дви- \

гателей.	Свойства некоторых жидких	окислителей приведены
в табл.	1.2.
Кроме перечисленных в этой таблице окислителей, могут при­
меняться и некоторые их смеси. Так,		смесь азотной кислоты

и четырехокиси азота при определенной их пропорции является окислителем, превышающим по ряду показателей исходные продукты (например, г'пл может быть ниже, чем у HNO3; плот­ ность выше плотности обоих исходных компонентов; снижается агрессивность по отношению к конструкционным материалам; растет эффективность применения такого окислителя с рядом горючих). Перспективными считаются смеси кислорода и фтора.

Из приведенных в табл. 1.2 окислителей и их смесей наи­ больший интерес в настоящее время представляют:

а) кислород, фтор и их смеси — окислители большой энерге­ тической эффективности, но они неудобны в обращении вслед-

ствие низкой температуры кипения (в обычных условиях эти ве­ щества— газы), а фтор, кроме того, и из-за его агрессивности и токсичности;

Окислитель Формула

Кислород	0 2
Перекись водо­	н 2 о 2

рода

	Температураплавле­ °Сния,	Температуракипе­ °Сния,	свободного% окисли­ (кислород,теля фтор, массепохлор)	Таблица 1. 2
Плотность*				Другие характерные
				свойства
1140	—218	— 183	100
1460	— 1	150	47	Нестойка

Азотная кислота

H N 0 3

1520

- 4 1 , 2

86

64

Агрессивна;

ток­

сична

,

Четырехокись

N 2

0 4

1450

— 11

21

70

—.

азота

Тетранитрометан С

( Ш 2 ) 4

1620

13,6

127

49

—

Фтор

F 2

1510

—218

- 1 8 8

100

Агрессивен;

ток­

сичен

Окись фтора

F 2

0

1520

—223

—144

100

Агрессивна;

ток­

сична

Трифторид

C I F3

1825

— 8 2 , 6 + 12,1 100

Токсичен

хлора

* Плотность

для сжиженных газов

приведена

при температуре, близкой

к температуре

кипения.

б) перекись водорода — достаточно эффективный

окислитель,

удобный для применения

в ГРД вследствие

его

способности

к быстрому разложению

на катализаторах

с образованием горя­

чего газа,

который

затем

может

быть

эффективно

использован

в камере

ГРД. Недостатком Н 2 О 2 является трудность

обеспече­

ния ее стабильности

при длительном

хранении в

баках

дви­

гателя;

в) смеси

азотной

кислоты и

четырехокиси

азота — окисли­

тели длительного хранения, относительно простые в обращении, хотя и обладающие сравнительно невысокой энергетической эффективностью.

Все приведенные в табл. 1.2 окислители (за исключением фтора) имеют развитые во многих странах сырьевую и произ­ водственную базы и относительно низкую стоимость.

Современные твердые окислители содержат в качестве основного окисляющего элемента кислород и, кроме того,

иногда — некоторое количество хлора. Твердые соединения фтора существуют, однако количество свободного фтора в них незначительно, и поэтому соединения фтора в качестве твердых окислителей не применяют.

Большинство кислородных твердых окислителей представ­ ляют собой либо нитраты, либо перхлораты элементов (натрия, калия, лития) или групп (аммония, гидразина, нитрония и т. д.). Более эффективными окислителями являются перхлораты. Воз­ можно применение окислителей, в которых используются пер­ хлораты с добавкой других окисляющих веществ.

	Некоторые свойства			ряда твердых	окислителей		приведены
в	табл.	1. 3.
							Таблица 1. 3
					Плотность	% свобод­		Температу­
	Окислитель			Формула				ра начала
					кг/м 3	ного	кис­	разложения
						лорода		°С
	Нитрат	аммония		N H 4 N 0 3	1720	20		170
	Перхлорат		аммония	N H 4 C ! 0 4	1950	34		150
	Перхлорат		калия	КСЮ4	2520	46		400
	Перхлорат		нитрония	NO2CIO4	2250	66		100
	Перхлорат		лития	L i C 1 0 4	2430	60		400
	Перхлорат		аммония +	7 0 % N H 4 C I O 4 +	1850	26		150
+	нитрат	гидразина		+ 3 0 % N 2 H 4 H N 0 3
	Перхлорат		нитрозила	NOCIO4	2170	61,7		—.

Разложение твердых окислителей начинается с образования промежуточных продуктов — окислов азота, аммиака, хлорной кислоты и др. При более высоких температурах окислы азота распадаются на азот и свободный кислород. Перхлорат лития разлагается в жидком виде (^Пл = 2 3 6 0 С ) , перхлораты аммония и нитрония разлагаются на газообразные продукты в твердой фазе.

Некоторые из твердых окислителей при повышенных давле­ ниях способны к самостоятельному горению. Перхлорат аммо­ ния, например, горит без каких-либо добавок при. давлениях свыше 22-105 Па. В определенных условиях (повышение давле­ ния, наличие примесей) горение твердых окислителей может перейти во взрыв. Более других чувствительны к механическому и тепловому воздействию перхлораты нитрония и лития.

Положительным качеством всех рассматриваемых твердых окислителей является их значительная плотность.

Некоторые окислители гигроскопичны, что затрудняет их применение в двигателях. Весьма гигроскопичными являются, R частности, перхлораты нитрония и калия.

Все твердые окислители представляют собой кристалличе­ ские порошки. Изготовление шашек, обладающих высокими механическими качествами, из «чистых» окислителей затруд­ нено, в связи с чем может оказаться целесообразным добавле­ ние в окислитель некоторого количества горюче-связующих веществ — каучуков, смол и т. п. В зарубежной литературе (см. работу [53]) сообщалось о проведении успешных испытаний ГРД, в котором шашка окислителя изготовлялась из состава, со­ держащего 90% перхлората аммония с добавками.

Перхлорат		аммония обладает рядом весьма благоприятных
свойств	для	использования в качестве твердого окислителя
в КРД — он		имеет низкую температуру	разложения, разла­
гается	только	на газообразные продукты	(так как не содержит

металлов), обладает малой гигроскопичностью, доступен, дешев. Однако перхлорат аммония, как видно из табл. 1.3, является окислителем, содержащим относительно небольшое количество свободного кислорода.

Наиболее эффективные окислители — перхлораты нитрония, нитрозила и лития — обладают рядом отрицательных качеств, которые хотя и не делают их применение невозможным, однако затрудняют его в сильной степени. Кроме того, именно эти вещества имеют высокую стоимость.

1.3.3. Горючие топлив для КРД

Из элементов, на основе которых создаются горючие топлив для КРД, более других распространены и используются водо­ род и углерод, причем водород вследствие его малой молекуляр­ ной массы обеспечивает достижение весьма высоких значений удельного импульса.

Большой тепловой эффект реакций достигается при окисле­ нии ряда металлов (лития, бериллия, бора, алюминия). Однако окислы этих металлов обладают высокой температурой кипения (для Be — 2900° С, для А1 — 2980° С, для В — 2150° С, для L i — 1700°С), что делает возможным наличие конденсированной фазы в продуктах сгорания топлив, содержащих эти элементы.

Кроме	того,	окислы некоторых из перечисленных элементов
имеют	очень	высокую молекулярную массу	(AI2O3 — 1 0 1 , 9 4 ;
В2О3 — 69,64 и т. д.), что не позволит получить			высокий	удель­
ный импульс,		если в продуктах сгорания этих	окислов	будет
много.

Применение металлов поэтому эффективно лишь в тех слу­ чаях, когда в топливо входят, кроме них, и другие горючие эле­ менты,— особенно водород. При этом возможно получить высо­ кий тепловой эффект реакций горения при относительно невысо­ кой молекулярной массе продуктов сгорания и, как следствие, обеспечить условия для получения большого удельного импульса. Вводить металлы в жидкий компонент топлива неудобно, по-

этому они обычно являются составной частью твердого компо­ нента.

В качестве жидких горючих топлив для ГРД могут быть использованы практически все — как криогенные, так и высококипящие — горючие топлив жидкостных ракетных двигателей.

Свойства некоторых, наиболее употребительных или перспек­ тивных из этих горючих приведены в табл. 1.4.

Горючее Формула

Водород	н 2
Гидразин	N 2 H 4
Несимметричный	N 2 H 2 ( С Н 3 ) 2
диметилгидразин
Керосин	C7.21H13.29
Пентаборан	В5Н9

Плотность кг/м3	Температура плавления °С	Температура кипения °С	Таблица			1. 4
			Другие	характерные
			свойства
71	- 2 5 9 , 4	—252,<
1010	2	113,7	Токсичен
790	—58	63,1	Токсичен;		гигро­
830	—60	180	скопичен
				—
633	—46,6	58,2	Стабилен		только
			при	хранении		в
			герметичном		баке;
			токсичен

Эксплуатационные качества первых четырех из				приведенных
в табл. 1.4 горючих хорошо известны. Что же касается					пента-
борана, то это горючее вследствие	его	высокой		токсичности
и способности к самовоспламенению	на воздухе		неудобно для
применения. Однако їв настоящее время найдены присадки,					резко
(более чем на 100° С) повышающие	температуру		самовоспламе­
нения и тем самым позволяющие упростить условия				применения
топлив, включающих пентаборан.
В качестве твердых горючих топлив		для КРД		могут	быть

использованы различные вещества. Круг твердых горючих

весьма ш и р о к — в него могут входить			вещества	самых различ­
ных классов: полимерные соединения,			гидриды	металлов	и др.
В табл. 1.5 приведены свойства некоторых веществ, которые
могут использоваться		как горючие в топливах для КРД.
Могут	быть использованы и смеси		различных горючих. Так,
например,	сообщалось	(см. работу [26]) об испытаниях			ГРД,

горючим в топливе которого служил алюмогидрид лития с до­

бавлением	полиэтилена. Было установлено,			что хорошие			меха­
нические свойства заряда из такой смеси			и высокий			удельный
импульс	достигались при	включении	в	смесь 95%			L1AIH4
и 5% ( С 2 Н 4 ) Ж .
В табл. 1.5 не приведены		чистые металлы			(Be, A l , L i ) , хотя
они и могли бы теоретически		рассматриваться			как	возможные

Таблица 1. 5

	Горючее	Формула	Плотность
			кг/м 3

Полиэтилен		( С 2 Н 4 ) *	920
Полиэтиленамин		( С , Н в ) «	1100
Каучук		8 7 % С К Д Н + 9,6% А1 +	1000
		+ 3,4% S
Гидрид	лития	L i H	800
Гидрид	алюминия	А1Н3	1500
Алюмогидрид лития		L i A l H 4	920
Гидрид	бериллия	В е Н 2	1600
Дигидразинацетилен		C 2 H 6 N 4	ИЗО

горючие для ГРД. Выше уже отмечались некоторые отрица­ тельные качества топлив, содержащих металлы. Кроме того, использование чистых металлов в качестве горючих крайне неудобно по целому ряду причин. Так, литий очень легко пла­ вится (£пл = 186 0 С), бериллий имеет высокую теплопроводность и вследствие этого температуру его поверхности трудно поднять до температуры воспламенения и т. д. Поэтому считают, что лучше использовать в качестве горючих не чистые металлы, а их соединения, — главным образом гидриды.

При оценке свойств горючих на основе бериллия следует иметь в виду высокую токсичность продуктов их сгорания. Про­ ведение на открытом воздухе огневых испытаний РДТТ с топли­ вом, содержащим Be, вызывает сильное отравление атмосферы (см. работу [9]), создание же устройств, позволяющих очищать продукты сгорания от соединений бериллия, крайне удорожает и усложняет стенды для испытаний двигателей. Кроме того, бериллий пока дорог — например, в США его стоимость состав­ ляет 110-^220 долларов за 1 кг.

		1. 3. 4. Топлива для КРД (топливные пары)
	На	основе	перечисленных выше			горючих	и	окислителей
можно создать различные топливные пары.
	В	табл. 1.6	приведены	термодинамические			характеристики
топлив. Значения удельного импульса рассчитаны								при	перепа­
дах давлений рк //?а = 40/1 и 70/1 для					случая работы двигателя
на	земле; удельный импульс при рк/Ри~70/0,05						определен при
р н	= 0. Значения		удельных	импульсов		приведены		при	/C=/C0 pt,
т. е. при соотношениях расходов компонентов,							обеспечивающих
максимальное значение удельного импульса.
	Топлива 1—13 состоят из жидкого					окислителя		и	твердого
горючего, т. е. являются топливами					ГРД прямой схемы.				В число

Таблица

о.			а,
			о					Удельный
о			U	Плот­
а	Окислитель	Горючее	"и	ность		Г к в	К
о					Рк/Ра
			о	кг/м 3
с
%			* 11

1. 6 импульс Н/(кг/с)

1	Н 2	0 2	(98%)	Полиэтилен		6,55	1350	40/1	2957	2580
								70/1	2995	2720
2	Н 2	0 2	(98%)	Каучук + 18%	M g	5,56	1440	40/1	3029	2600
								70/1	3075	2750
3	' Н 2 0 2		( 9 8 % )	К а у ч у к + 1 8 %	A l	5,64	1500	40/1	3058	2610
								70/1	3101	2760
4	Н 2	0 2	( 9 8 % )	AIH3		1,02	1470	40/1	3764	2910
								70/1	3844	3100
5	Н 2	0 2	( 9 8 % )				ИЗО	70/0,05	3844	4000
				L1AIH3		1,08		4 0 / 1	3068	2770
								70/1	3101	2930

6	Н 2	0 2		( 9 8 % )
7	N 2	0	4
8	70°/		0	H N 0 3
	3 0 %			N 2 0 4

9H N 0 3

10N 2 0 4

11C1F3

12о 2

13F 2

14о 2

1о

F 2

16N 0 2 C 1 0 4

17N 0 2 C I 0 4

18N 0 2 C 1 0 4

19N 0 2 C 1 0 4

20 N 0 2 C 1 0 4

B e H 2		1,23	1510	40/1	•—	3310
				70/1	3164	3520
C 2 H 6 N 4 + 1 0 %	кау­	1,5	1300	40/1	3580	2750
чука
80°/0 C 2 H 6 N 4 + 2 0 %		2,13	1380	4 0 / 1	3320	2610
каучука
Каучук+А1		3,72	1370	4 0 / 1	3229	2490
				70/1	3278	2620
B e H 2		1,67	1500	40/1	3620	3060
				70/1	3673	3260
L i H				70/0,05	—	4260
		5,82	1550	4 0 / 1	4190	2810
				70/1	4287	2960
Каучук		2,38	1090	4 0 / 1	3618	2810
				70/1	3637	2960
L i H		4,3	1290	4 0 / 1	4762	3390
				7 0 / 1	4893	3600
8 0 % В е Н 2 + 2 0 %	Н 2	1,17	1210	40/1	3507	3900
				70/1	3566	4160
8 5 % L Н + 1 5 %	Н 2	6,2	1300	70/0,05	—	5340
				40/1	4744	3530
				70/1	4879	3730
Н Д М Г			1470	70/0,05	—	4520
		2 , 4		40/1	3466	2680
				70/1	3535	2830
В5Н9		3,40	1420	4 0 / 1	3950	2770
L i A l H 4		0,94	1290	4 0 / 1	3342	2880
AIH3		0,90	1790	70/1	3386	3690
				4 0 / 1	3847	2710
				7 0 / 1	3936	2880
ВеН 2		1,62	1950	70/0,05	—	3690
				4 0 / 1	3696	3040
				70/1	3760	3240

этих топлив входят как топлива на основе высококипящих окис­

лителей, так и топлива, окислителем в которых					служат	криоген­
ные	вещества.
Более высокие значения			удельного импульса в			ГРД, как
и в Ж Р Д , получаются в случае использования					жидких	кислоро­
да	и	фтора, являющихся	окислителями,	обладающими более
высокой		энергетической эффективностью,		чем	высококипящие
Н 2 0 2 , N 2 0 4 , H N 0 3 .

В качестве одного из наиболее вероятных жидких окислите­ лей для ГРД за рубежом рассматривается высококонцентриро­ ванная перекись водорода. Состав продуктов сгорания топлива, включающего этот окислитель и горючие, содержащие металлы, обладает характерными особенностями, которые могут быть проанализированы на примере состава продуктов (в % ) , полу­ чаемых в случае сжигания Н 2 0 2 (98%) и ВеН2 при р к = = 70-105 Па:

Н	0,48
Н 2	14,67
Be	1,21
ВеН	0,35
Н 2 0	0,003
ВеО	83,287

Обращает на себя внимание то, что почти весь кислород свя­ зывается металлом, в результате чего продукты сгорания содер­ жат много свободного водорода, а это является благоприятным фактом, определяющим высокое значение теоретического значе­ ния удельного импульса.

В то же время, при высоком содержании конденсата (в основ­ ном ВеО) ускорение продуктов сгорания в сопле сопровождается

интенсивным	укрупнением частиц,		и даже при очень малых раз­
мерах частиц в камере ( ~ 1		мкм)	в области горловины их сред­
ний диаметр	возрастает до	десятков микрометров		(см. работу
[2]). При этом потери удельного			импульса могут	превысить
10%.
Топлива 14 и 15 представляют			собой трехкомпонентные ком­

позиции. В эти топлива, кроме твердого горючего, входит и жид­ кое горючее — водород. Именно эти топлива и обеспечивают достижение наиболее высоких значений удельного импульса. Наличие металлов в топливах этого типа позволяет получить температуру в камере выше (примерно на 100-^200°), чем в слу­ чае использования аналогичных основных компонентов без до­ бавок металлов ( 0 2 + Н 2 или F 2 + H 2 ) . В то же время, содержа­ ние в топливе большого количества водорода обеспечивает ма­ лую молекулярную массу продуктов сгорания. В конечном итоге произведение RTK, от которого зависит удельный импульс, полу­ чается большим.

Из двухкомпонентных топлив этой группы по величине удель­ ного импульса выделяются топлива, горючим в которых служит гидрид бериллия.

Топлива 16 и 17 содержат твердый окислитель и жидкое горючее и являются примерами топлив ГРД обратной схемы.

! н/(кг/с);Н/(л/с)

6000,

5000

4000

3000

2000	+

+

1000

РДТТ	ГРД			ГРД	ЖРД
Топлива длительного			хранения	Криогенные топлиба
•массовый		удельный	импульс
• о5ъемный		удельный	импульс
Рис. 1.5. Сравнение		топлив	различных	ракетных	двигателей
	по удельным импульсам

При использовании этих топлив, как видно, из табл. 1.6, можно получить довольно высокие значения удельного импульса, однако в качестве окислителя в этих топливах применен перхло­ рат нитрония, который, как уже отмечалось, пока освоен недо­ статочно. Применение в качестве окислителя в топливах этого типа хорошо освоенного и широко используемого перхлората аммония привело бы к некоторому понижению удельного импульса.

Топлива 18, 19, 20 включают в себя только твердые компо­ ненты, т. е. относятся к топливам РДТТ с разделенными компо­ нентами. Наиболее высокое значение удельного импульса мо­ жет быть получено при данных топливах в случае использова­ ния в качестве горючего гидрида бериллия.