Смесевое твердое топливо

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Смесевое твердое топливо, изобретенное в США, по своим энергетическим характеристикам намного превосходило все сорта наших порохов, применявшиеся в ракетной артиллерии. Мощная американская химическая промышленность с подсказки ракетчиков оценила перспективность открытия и разработала технологию крупномасштабного производства.

Смесевое твердое ракетное топливо представляет собой механическую смесь твердых мелких частиц окислителя, порошка металла или его гидрида, равномерно распределенных в органическом полимере, и содержит до 10-12 компонентов. В качестве окислителей применяются богатые кислородом соли азотной (нитраты) и хлорной (перхлораты) кислот и органические нитросоединения. Основным горючим является металл в виде высокодисперсных порошков. Наиболее дешевое и распространенное горючее - порошок алюминия. Смесевые топлива даже при хорошо налаженной технологии остаются значительно более дорогими по сравнению с лучшими по энергетическим показателям жидкими компонентами. При заливке в корпус ракеты формируется внутренний канал горения. Корпус двигателя дополнительно защищается от теплового воздействия слоем топлива.

1. Смесевые ракетные топлива

1. В качестве смесевых топлив используются, как правило, соли неорганических кислот - азотной и хлорной. Их особенность - большой процент кислорода в молекуле. Все они по массе примерно наполовину состоят из кислорода. В обычных условиях они обладают химической стойкостью, но при сильном нагревании способны распадаться с выделением свободного кислорода. Все твёрдые окислители имеют в своём составе, помимо кислорода, атомы химических элементов, способные к окислению. Поэтому при разложении этих окислителей часть кислорода оказывается связанной с этими элементами и свободного кислорода выделяется значительно меньше, чем имеется в молекуле.

Самым распространённым окислителем твёрдых топлив является перхлорат аммония [NH₄ClO₄]. Эта соль представляет собой белый (бесцветный) кристаллический порошок, и разлагается она при нагревании выше 150 ⁰С. На воздухе незначительно увлажняется. Чувствителен к удару и трению, особенно при наличии органических примесей. Может гореть без горючего и взрываться. При горении не выделяет твёрдых веществ, но в его продуктах сгорания содержится агрессивный и довольно ядовитый газ - хлористый водород (HCl), который при наличии влаги образует с ней соляную кислоту. Преимущества перхлората аммония состоят в том, что он обладает невысокой температурой разложения и разлагается только на газообразные продукты с небольшой молекулярной массой, обладает малой гигроскопичностью, доступен, дёшев.

Другим окислителем является перхлорат калия [KClO₄]. Эта соль разлагается при температуре выше 440 ⁰С, на воздухе не увлажняется (негигроскопична), не горит и не взрывается. Весь кислород, содержащийся в её составе, является активным. При сгорании она выделяет твёрдое вещество - хлорид калия, который создаёт плотное дымовое облако. Наличие хлорида калия в продуктах сгорания резко ухудшает свойства ракетных топлив, т. е. условия перехода тепловой энергии в кинетическую в сопле ракетного двигателя.

Ещё один широко используемый окислитель - нитрат аммония[NH₄NO₃] (аммиачная селитра), используется также как азотное удобрение. Представляет собой бесцветный (белый) кристаллический порошок. Разлагается при температуре 243 ⁰С. Способен гореть и взрываться. При сгорании выделяется большое количество только газообразных продуктов. Смеси с органическими веществами способны самовозгораться, поэтому хранение ракетных топлив на его основе представляет серьёзную проблему. Имеет ядовитые свойства.

Приведёнными примерами не исчерпывается перечень возможных окислителей твёрдотопливных ракетных двигателей, в качестве которых могут использоваться, например, перхлораты лития[LiClO₄], нитрозила [NOClO₄] и нитрония [NO₂ClO₄], динитрат гидразина [N₂H₄ Ч 2 NO₃] и др.

2. Горюче-связующие вещества смесевых топлив - это высокомолекулярные органические соединения, или полимеры. Полимерами называются такие соединения, молекулы которых состоят из очень большого числа элементарных звеньев одинаковой структуры. Элементарные звенья соединяются между собой в длинные цепи линейного или разветвлённого строения. Свойства полимера зависят от химического строения элементарных звеньев, их количества и взаимного расположения.

Многие твёрдые полимеры получают из жидких веществ - мономеров, молекулы которых состоят из сравнительно небольшого числа атомов. Мономеры способны самопроизвольно соединяться в длинные цепи - полимеры ? этот процесс называется полимеризацией.

Для ускорения полимеризации, или отверждения, применяются некоторые специальные вещества, называемые инициаторами, или отвердителями.

Многие высокомолекулярные соединения способны хорошо смешиваться и склеиваться с порошками (с кристаллическим окислителем и металлическим порошком), а затем превращаться в твёрдую монолитную массу после полимеризации. При нагревании некоторые полимеры размягчаются, становятся вязкотекущими, и в таком виде могут смешиваться с наполнителями, прочно удерживая их. При этом их можно заливать в формы и получать топливные заряды заданных размеров и форм.

Для применения в качестве горюче-связующих веществ удовлетворительными свойствами обладают синтетические соединения типа каучуков, смол и пластмасс, а также тяжёлые нефтепродукты - асфальт и битум. Состав и свойства нефтепродуктов колеблются в очень широких пределах, а нужные механические свойства сохраняются только в небольшом интервале температур. Поэтому чаще употребляются синтетические вещества, имеющие более постоянный состав и лучшие механические свойства. На практике применяют каучуки - полиуретановый, бутадиеновый и полисульфидный смолы - полиэфирную, эпоксидную и карбамидную, а также некоторые пластмассы, в состав которых входят атомы азота, кислорода, серы или хлора.

Основные недостатки полимерных смол и пластмасс как горюче-связующих веществ - малая эластичность и повышенная хрупкость при низких температурах. От этих недостатков в основном свободны синтетические каучуки.

3. Порошкообразные металлы могут вводиться в состав смесевых топлив в качестве дополнительного горючего компонента. Для этого пригодны металлические бериллий, литий, алюминий, магний, а так же некоторые их соединения. В результате введения указанных металлов происходит повышение запаса энергии топлива, т. е. увеличивается удельная тяга двигателей. Кроме того, металлические добавки повышают удельный вес топлива, что улучшает характеристики двигателя и ракеты в целом. При этом следует учитывать, что чем больше содержание металлсодержащего горючего, тем выше температура продуктов их сгорания. Почти все современные смесевые топлива содержат в качестве компонентов металлы.

Наиболее эффективным металлическим горючим является бериллий, однако перспективы применения бериллия очень ограничены, потому что его запасы незначительны, а продукты сгорания весьма ядовиты. Следующий по эффективности металл - литий. Его применение тормозится очень низкой температурой плавления (+186 ⁰С) и самовоспламенением на воздухе в расплавленном состоянии. Самым распространённым и наиболее дешёвым металлическим горючим является алюминий. Применение тонко измельчённого порошка алюминия в смесевых топливах не только повышает удельную тягу двигателей, но и улучшает надёжность их запуска и увеличивает стабильность горения топлива. Магний применяется редко, так как он в топливах даёт малую удельную тягу.

Кроме чистых металлов изучается применение в качестве дополнительных горючих веществ их соединений с водородом (гидридов).

4. Катализаторы и другие добавки вводятся в смесевые топлива в небольших количествах для улучшения процесса горения (сажа, соли некоторых металлов), придания топливу пластичных свойств (растительные, минеральные и синтетические масла), улучшения стойкости при хранении и стабильности состава (диэтилфталат, этилцентралит), облегчения технологии производства.

Технология изготовления зарядов из смесевых топлив включает смешение компонентов топлива, отливку и отверждение. В общем процесс изготовления смесевых топлив проще, чем порохов, однако при изготовлении крупногабаритных зарядов приходится преодолевать большие технологические трудности.

2. Основы рабочего процесса в маршевых РДТТ. Горение твердых ракетных топлив

В качестве твердых ракетных топлив применяют так называемые метательные взрывчатые вещества. Одним из характерных видов экзотермического превращения этих веществ является горение, не переходящее при определенных условиях в детонацию или взрыв.

По физической структуре твердые ракетные топлива можно разделить на два основных класса:

1) Гомогенные топлива. Они представляют собой твердые растворы органических веществ, молекулы которых содержат горючие и окислительные элементы. Эти топлива называют также коллоидными порохами. Их основой является нитроцеллюлоза с различным содержанием азота. Общая формула нитроцеллюлозы

C₆H₇(OH)_3-x(ONO₂)_x,

где х=1,2, 3 - число групп ONO₂, получаемое в различных условиях нитрации целлюлозы.

2) Гетерогенные топлива, называемые также смесевыми или составными. Они представляют собой механические смеси горючего и окислителя, находящихся в раздельных фазах. В качестве горючих обычно используют органические резиноподобные и смолообразные вещества типа каучука,асфальта,битума.

Механизм горения.

Горение представляет собой процесс распространения реакции от поверхностных слоев вглубь заряда. Механизм этого процесса несколько различен для гомогенных и гетерогенных топлив.

Горение гомогенного топлива схематично можно представить протекающим в три стадии. Теплоотдача от продуктов сгорания приводит к прогреву поверхностного слоя топлива, в котором начинается плавление и разложение твердой фазы. Реакции разложения являются экзотермическими и укоряют процесс газификации твердого топлива. Вследствие плохой теплопроводности твердых ракетных топлив подвергающийся прогреву поверхностный слой очень тонок. С увеличением линейной скорости горения толщина прогревающегося слоя быстро уменьшается, в связи с чем роль экзотермических реакций в этом слое понижается. На третьей стадии происходят пламенные реакции между продуктами неполного горения. В результате этих реакций образуются конечные продукты сгорания и устанавливается химическое равновесие.

Специфической стадией горения гомогенных и гетерогенных топлив является процесс разложения и газификации твердой фазы. Этот процесс существенно зависит от интенсивности теплопередачи к поверхности твердого топлива.

Зависимость скорости горения от давления и начальной температуры заряда

Давление при котором протекает процесс горения, является важнейшим фактором, воздействующим на скорость горения твердого топлива. Для большинства топлив наблюдается рост скорости горения при повышении давления.

Роль гетерогенных и гомогенных реакций в общем комплексе явлений горения различна при различных давлениях.

Скорость горения некоторых твердых топлив в определенном интервале давления не зависит от давления (v = 0).

Влияние температуры на скорость горения должно быть объяснено зависимостью скорости химических реакций от температуры. Оно отличается от обычной зависимости скорости гомогенной химической реакции от температуры, так как связано дополнительно с протеканием реакций и в конденсированной фазе. Интенсивность гетерогенных реакций сильно зависит от температуры поверхности топлива, вступающего в реакцию. Как упоминалось, вследствие плохой теплопроводности температура твердого топлива очень резко снижается в тонком слое и уже на расстоянии десятых долей миллиметра от поверхности равна начальной температуре, которую приобрел заряд перед применением. Вследствие относительного малого времени горения эта температура практически не изменяется во время работы двигателя.

Температурный коэффициент скорости горения представляет собой отношение скорости горения при двух сравниваемых начальных температурах и р = const. при повышенных давлениях этот коэффициент падает, стремясь к некоторому постоянному значению для данного интервала температур. Постоянное значение его достигается раньше для более высокого температурного интервала.

Можно считать, что в условиях, характерных для РДТТ, значения температурного коэффициента скорости горения не зависят от давления и мало отличаются друг от друга в различных интервалах рабочих температур. Это дает основание использовать в предварительных расчетах зависимости вида.

Зависимость скорости горения от скорости обдува поверхности горения

Скорость горения одного и того же топлива в одинаковых условиях увеличивается, если поверхность горения подвергается обдуву. Основная причина этого явления в том, что при омывании поверхности заряда горячими продуктами сгорания увеличивается теплоотдача к непрореагировавшему топливу. Это происходит за счет роста конвективного теплового потока, увеличивающегося при увеличении скорости движения газа вдоль поверхности заряда и при увеличении турбулентности потока. Усиленный подвод тепла к топливу интенсифицирует химические реакции, благодаря чему должна увеличиваться скорость горения.

Зависимость скорости горения от других факторов

При фиксированных внешних условиях (давление и начальная температура) и определенном эрозионном отношении е скорость горения твердого топлива зависит еще от ряда факторов, влияние которых обычно не поддается строгому аналитическому учету. Эти дополнительные факторы несколько различны для гомогенных и гетерогенных топлив.

Прессованные гомогенные топлива имеют обычно анизотропную структуру. В связи с этим скорость горения таких топлив в направлении, параллельном направлению прессования, на 10--15% выше, чем в перпендикулярном направлении. Обнаруживается также зависимость и от давления прессования и качества пластификации, т. е. от технологии изготовления заряда.

Скорость горения гетерогенных топлив, представляющих собой механическую смесь горючего и кристаллического окислителя, зависит от среднего размера зерна окислителя. Опытным путем найдено ^{1 2}, что при постоянном составе смесевого топлива и одинаковых внешних условиях уменьшение среднего размера зерна окислителя ведет к повышению скорости горения. Характерно, что одновременно повышается температура горения, приближаясь к своему теоретическому значению. Это означает, что с уменьшением зерна окислителя увеличивается полнота выделения тепла.

Существенное влияние на характеристики гетерогенных топлив оказывает качество перемешивания горючего и окислителя, что опять-таки зависит от технологии производства заряда.

Таким образом, важнейшая характеристика твердого топлива -- скорость горения зависит от условий производства топлива и заряда, В связи с этим характеристики разных партий одного и того же топлива могу г отличаться друг от друга. Стабильность характеристик твердых ракетных топлив менее гарантирована, чем для жидких топлив, и это является их существенным недостатком.

При сравнении в одинаковых условиях скорости горения различных твердых топлив одного класса обнаруживается зависимость скорости горения от теплотворности топлива. С ростом теплотворности скорость горения возрастает. Для нитроглицериновых порохов это наблюдается, например, с увеличением содержания нитроглицерина. Теплотворность гетерогенных топлив можно изменять, варьируя в механической смеси содержание окислителя. Максимальная теплотворность достигается при стехиометрическом соотношении горючего и окислителя. Однако, так же как и в ЖРД, топливо стехиометрического состава может оказаться не наилучшим.

Увеличение весовой доли инертных добавок (стабилизаторы, пластификаторы и др.), всегда понижает скорость горения. В то же время введением в основной состав топлива небольших количеств катализаторов можно заметно увеличить скорость горения

Пределы стабильного горения.

Нормальное стабильное горение характеризуется неизменностью скорости горения по времени, либо плавным ее изменением по заданному закону. О стабильности горения можно судить по диаграмме давление в камере сгорания -- время. Пример такой диаграммы приведен на фиг. 12. 16. Как видно, лишь в начальный период воспламенения заряда имеют место первичные пики давления, затем давление изменяется по необходимому закону без каких-либо флуктуаций. Однако нормальное стабильное горение заряда твердого топлива наблюдается не всегда, а ограничено некоторыми пределами по давлению в камере сгорания, начальной температуре заряда и другим параметрам.

Характерным режимом нестабильного горения является аномальное горение -- прерывистое, состоящее из нескольких вспышек, интервалом между ними от долей секунды до нескольких секунд.

Причина возникновения аномального горения заключается в уменьшении теплоподвода к непрореагировавшему топливу. Как только количество подводимого тепла становится недостаточным для нормального хода экзотермических реакций, горение прекращается. Затем заряд может снова воспламениться и гореть некоторое время, снова потухнуть и т. д. Некоторое значение в этом механизме имеет теплопередача к топливу от нагретых элементов конструкции камеры.

Все факторы, способствующие уменьшению подвода тепла к непрореагировавшему топливу, увеличивают возможность появления аномального горения. Наиболее важно, что оно возникает при уменьшении давления ниже некоторого предельного для данного топлива. Объясняется это тем, что при низких давлениях сильно тормозятся экзотермические реакции типа.

Это приводит к уменьшению подогрева топлива и к прекращению горения.

Режимы аномального горения могут появиться и при высоких давлениях, если поверхность горения омывается газовым потоком высокой скорости. В этом случае нормальный теплоподвод к топливу нарушается из-за того, что экзотермические реакции с участием окислов азота не успевают протекать полностью. Вероятность аномального горения увеличивается для длинных зарядов, скорость обдува поверхности которых велика. Снижение начальной температуры заряда также увеличивает вероятность возникновения аномального горения.

Список литературы

смесевой топливо энергетический заряд

1. В.Е. Алемасов «Теория ракетных двигателей».

2. http://bastion-karpenko.narod.ru А.В. Карпенко «Из истории твёрдотопливных ракет».

3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Жидкостный_ракетный_двигатель Википедия (свободная энциклопедия).

Размещено на Allbest.ru