XV. Топливо

Основные процессы, протекающие в камерах сгорания двигателей летательных аппаратов, по своей природе являются окислительно-восстановительными. В камерах сгорания двигателей летательных аппаратов взаимодействуют два компонента: горючее (восстановитель) и окислитель.

Характеристики и свойства

Общая характеристика горючих ЖРД

Частоиспользуемые горючие

Название типа	Примеры горючих
Углеводородные	― Керосин (CmHnOz); ― Бензол (C6H6); ― Нитробензол (C6H5NO2); ― Нитротолуол (C7H7NO2). Бензол, нитробензол и нитротолуол – близкие к керосину.
Кислородноуглеводородные (спирты)	― Этиловые; ― Метиловые; ― Изопропиловые (C3H7OН); ― Фурфуриловые (C5H6O2).
Азотноводородные	― Аммиак (NH3); ― Гидрозин (N2H4) и его производные.
Азотноуглеводородные (амины)	― Анилин (C6H5NH2); ― Диэтиламин (С4H11N); ― Триэтиламин ((C2H5)3N); И их производные.
Бороводородные	― Пентаборан (В5H9); ― Декоборан (В10H9). И их производные.

Требования, применяемые к топливу ЖРД

1. Теплотворная способность;

Для топлива, которое используется в ЖРД, необходима большая теплотворная способность. Теплотворная способность вычисляется по количеству тепла, которое выделяется при полном сгорании весовой (1кг) и объемной (1м³) единицы топлива в атоме кислорода или другого окислителя.

2. Удельный вес;

Топливо должно иметь как можно больший удельный вес, чтобы в одни и те же размеры баков можно поместить максимум топлива.

3. Температуры замерзания и кипения;

Компоненты топлива должны иметь как можно более низкую температуру замерзания (не выше -40°С) и более высокую температуру кипения (не ниже +50°С).

4. Коррозионное действие;

Компоненты топлива должны обладать малым коррозионным действием по отношению к материалам, из которых сделаны двигатели.

5. Токсичность;

Компоненты топлива должны быть малотоксичны как в жидком, так и в газообразном состоянии.

6. Гидроскопичность.

Компоненты топлива должны обладать малой гидроскопичностью (способность поглощать влагу).

Физические свойства некоторых долгохранящихся топлив

Компоненты	Температура замерзания	Температура кипения	Плотность (г/см3) при Т = 20°С
Окислители
Ингибированная красная дымящая азотная кислота (HNO3)	−54	+66	1,57
Трехфтористый хлор (Cl+3P3¯ )	−76	+12	1,83
Четырехокись азота (амил) (сжиженный диоксид азота, состоящий преимущественно из димера N2O4)	−11	+21	1,45
Пятифтористый бром (Br+5P5¯ )	−60	+40	2,48
Горючее
Ассиметричный диметилгидрозин (N2H2(CH3)2)	−57	+63	0,79
Гидрозин (N2H4)	+2	+114	1,01
Диэтилтриамин	−65	+207	0,96
Пентаборан (B5H11)	−47	+60	0,63

Источник энергии в ракетных двигателях – химическая реакция, летучие продукты которой, вырываясь из сопла двигателя создают силу тяги. Сила тяги зависит от плотности и удельного объема газообразных продуктов. Чем меньше средняя молекулярная масса продуктов сгорания, тем больше сила тяги (более легкие молекулы движутся быстрее). Сила тяги также зависит от теплотворной способности топлива, которая в свою очередь определяются химическим и стехиометрическим составом топлива.

Керосин

C_mH_nO_z

Керосин – совокупность углеродов различного строения (предельных, непредельных цикличных и ароматических).

Керосин – фракция нефти, отгоняющаяся при температуре 150 ÷ 300°С.

Элементный весовой состав:

Углерод ― 86,76%

Водород ― 12,76%

Кислород ― 0,48%

Преимущества керосина:

1. Высокая теплотворная способность (~ 43 кДж/г);

2. Большой удельный вес (0,819 г/см³);

3. Широкий температурный интервал жидкого состояния (от –60° до +150°);

4. Коррозионно не активен по отношению к конструкционным материалам.

В крылатых ракетах большое значение придается созданию более легких и компактных двигательных установок, работающих на борсодержащих эмульсионных топливах. Применение такого топлива позволяет уменьшать габариты ракеты и увеличивать их боевые характеристики по показателю дальности.

В ЖРД с вытеснительной системой подачи в качестве компонентов топлива используют гидрозин (N₂H₄) и четырехокись азота (N₂O₄). В двигателях на верхних ступенях, рассчитанных на многократное использование, для обеспечения необходимой энергетической характеристики, требуется использование топливной пары: жидкий водород и жидкий кислород.

А: ½ Н – 1е → Н⁺

К: О₂ + 4е + 4Н⁺ → 2Н₂О

Плюсы:

1. Получаем воду, которую в дальнейшем используют в системе жизнеобеспечения;

2. Экологическая чиста компонентов.

Минусы:

1. Взрывоопасность водорода;

2. В качестве катализатора и переносчика электронов используют платину, которая очень дорогим материалом.

Стехиометрические и термохимические расчеты процессов горения химического топлива

Стехиометрический расчет

Процесс горения – окислительно-восстановительная реакция.

Продукты процесса – высшие оксиды элементов, входящие в состав горючего (СO₂, H₂O). А азот и галогены выделяются в свободном виде (N₂, Br₂, Cl₂).

CO₂

C₆H₅NO₂ N₂

H₂O

Пример.

Рассмотрим горение топливной смеси, состоящей из диэтиламина и азотной кислоты.

11 + x

2

1 + x

2

(C₂H₅)₂NH + x HNO₃ → 4 CO₂ + H₂O + N₂

горючее окислитель

Метод расчета по материальному балансу кислорода:

1. Принимаем за Х количество ркислителя;

2. Уравниваем углерод;

3. Уравниваем азот;

4. Считаем кислород:

х = 5,4

Физико-химические и технические свойства топлива

Физико-химические и технические свойства топлива зависят от состава топлива, который выражают в процентах, мольных долях и массовых долях компонента.

1. Расчет процентного состава топливной смеси;

% (C₄H₁₁N) =

× 100%

Mr (C₄H₁₁N)

Mr (горючего) + Mr (окислителя)

% (C₄H₁₁N) =

× 100%

Mr (C₄H₁₁N)

Mr (C₄H₁₁N) + 5,4×Mr (HNO₃)

% (HNO₃) =

× 100%

Mr (HNO₃)

Mr (C₄H₁₁N) + 5,4×Mr (HNO₃)

2. Мольные доли;

n =

Число молей данного компонента

Сумма числа молей смеси

n (C₄H₁₁N) = = 0,16 = 16 Мольных %

1

6,4

n (HNO₃) = 0,84 = 84 Мольных %

3. Массовые доли элементов.

g_эл =

атомная масса элемента × число атомов в молекуле исходного вещества

суммарная масса топлива

m (топлива) = Mr (C₄H₁₁N) + 5,4×Mr(HNO₃)

g_c = = 0,116

12×4

g_N = = 0,217

413,2

14×6,4

413,2

g_н = = 0,04

(11 + 5,4)×1

413,2

g_o = = 0,627

16×5,4×3

413,2

Термохимический расчет

Различают высшую и низшую теплотворную способность топлива.

Высшая теплотворная способность (Qв) – количество тепла, которое выделяется при сгорании 1кг (1м³) топлива при нормальном давлении (10⁵Па) и условии, что продукты реакций охлаждаются до стандартной температуры (25°С, 298°К).

Низшая теплотворная способность (Qн) – количество тепла, которое выделяется при сгорании единицы массы или объема топлива при нормальном давлении и условии, что продукты реакций охлаждаются до стандартной температуры (25°С), но без учета теплоты конденсации паров воды..

Q_н = Q_в – λ_im_i

λ_i – теплоты парообразования соответствующего оксида (кДж/кг);

m_i – количество этих оксидов в продуктах реакции (кг).

В двигателях температура продуктов сгорания, покидающих камеру сгорания, выше температуры концентрации водных паров. Следовательно чаще рассчитывают низшую теплотворную способность.

Чтобы рассчитать в общем случае необходимо учитывать законы Гесса.

Q =

∆H°_р-ии

∑n_i × Mr_i

n_i – коэффициенты;

Mr_i – молярная масса топлива;

∑n_i × Mr_i – вес топлива;

∆H°_р-ии – тепловой эффект реакции (рассчитывают либо по первому, либо по второму следствию Гейзенберга). Для его расчета используют формулу, по которой тепловой эффект реакции равен разность сумм теплот образования продуктов и исходных веществ, с учетом стехиометрических коэффициентов, стоящих в уравнении реакции.

∆H°_р-ии = ∑n_j × ∆Н°_j – ∑n_i × ∆Н°_i

∆H°_р-ии = ∑n_i × ∆Н°_сгор.i – ∑n_j × ∆Н°_сгор.j