Бортовые газодинамические исполнительные системы летательных аппаратов. Ч. 3. Бортовые источники рабочего тела на однокомпонентном жидком топливе (96

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Рис. 6. Зависимость массы реактивной си-

ва (параметры системы: pн = 21, 0 МПа; pк = 0, 35 . . . 1, 4 МПа);

a – перекись водорода; б – гидразин

стойкий материал, обеспечивает хранение гидразина в течение нескольких лет без существенного разложения). Однако полностью исключить разложение гидразина и образование в нем газовых пузырей не удается, поэтому забор гидразина из мешка организован через специальное капиллярное устройство.

В последнее время ведутся интенсивные работы по созданию более эффективных систем наддува, в частности с использованием летучих жидкостей [2]. В процессе перехода из жидкого состояния в газообразное в ограниченном объеме происходит повышение давления, которое и используется для вытеснения топлива из бака. Постоянное давление в такой системе может поддерживаться стабилизацией температуры летучего вещества (фреона, аммиака и др.), так как каждой температуре соответствует вполне определенное давление насыщенных паров.

12

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Рис. 7. Схема реактивной системы на жидком однокомпонентном топливе:

1 – топливный бак; 2 – эластичный вытеснительный мешок; 3 – заправочно-сливной клапан; 4, 10 – клапаны проверки герметичности; 5, 11 – датчики давления топлива; 6 – датчик температуры топлива; 7 – электронагреватель; 8 — пусковой клапан; 9 – фильтр; 12 – коллектор; 13 – управляющий электроклапан; 14 – камера разложения с катализатором; 15 – сопло

В зависимости от способа газификации рабочего тела различают исполнительные системы на продуктах:

–каталитического разложения однокомпонентного топлива (рис. 8);

–на продуктах термического разложения однокомпонентного топлива (рис. 9);

13

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

– на продуктах термокаталитического разложения однокомпонентного топлива (рис. 10).

Рис. 8. Схема камеры ракетного микродвигателя на продуктах каталитического разложения однокомпонентного жидкого топлива:

1 – катализатор разложения топлива; 2 – камера; 3 – сопло; А – подвод топлива

Рис. 9. Схема камеры ракетного микродвигателя на продуктах термического разложения однокомпонентного жидкого топлива:

1 – нагреватель для термического разложения топлива; 2 – камера; 3 – сопло; А – подвод топлива

Диапазон тяг, развиваемых работающими на гидразине двигателями, составляет 10−3. . . 103Н. Нижний предел тяги таких двигателей с расходом топлива в жидкой фазе составляет примерно 0,1 Н. При меньшем уровне тяги применяют двигатели с расходом топлива в газовой фазе. Для большого уровня тяги (примерно 2000 Н и более) обычная конструкция двигателя не рациональна и дорога, поэтому применяют управляющую предкамеру с каталитическим разложением гидразина (5. . . 15 % основного расхода) и основную камеру, в которой остальная часть гидразина разлагается термически. В табл. 2 приведены сравнительные характеристики

14

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Рис. 10. Схема камеры ракетного микродвигателя на продуктах каталитического и термического разложения однокомпонентного жидкого топлива:

1 – катализатор разложения топлива; 2 – камера каталитического разложения; 3 – камера тeрмического разложения; 4 – тепловой аккумулятор; 5 – сопло; А, Б – подвод топлива

двигателей с каталитическим и термокаталитическим разложением гидразина. Из таблицы видно, что двигатель с термокаталитическим разложением гидразина имеет лучшие массовые характеристики, масса катализатора для него меньше примерно в пять раз.

Таблица 2

Сравнительные характеристики американских двигателей тягой 6650 Н с каталитическим и термокаталитическим разложением гидразина

Двигатели с каталитическим разложением гидразина имеют следующие параметры [8]:

R = 0, 09 . . . 1400 H; Rуд = 2200 . . . 2400 Н ∙ с/кг; τ = 18000 с; n = 106; IΣ = 182000 Н ∙ с;

15

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

τ0,9 = 0, 017 . . . 0, 025 с; τ0,1 = 0, 020 . . . 0, 025 с,

где R — тяга; Rуд — удельная тяга; τ — общее время работы двигателей; IΣ — полный импульс тяги; τ0,9 — время запаздывания набора 90 %-ной номинальной тяги; τ0,1 — время спада от номинального значения до 10 %-ной номинальной величины.

В случае необходимости получения тяги двигателя R > 1500 Н следует использовать двигатели с термокаталитическим разложением гидразина.

2. ОДНОКОМПОНЕНТНЫЕ ТОПЛИВА ДЛЯ ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ

В качестве однокомпонентных жидких топлив используют: перекись водорода H2O2 различной концентрации, гидразин N2H4, изопропилнитрат С3Н7NO2, оксид этилена С2Н4О, несимметричный диметилгидразин С2Н8N2 и др. [1].

Основными условиями, определяющими возможность использования однокомпонентного жидкого топлива, являются: способность к каталитическому или термическому разложению в условиях работы газогенератора; устойчивость процессов разложения (постоянство давления, температуры, химического состава и т. д.) в газогенераторе; достаточно высокая удельная работоспособность.

Термическое разложение компонента происходит под действием теплоты, выделяющейся за счет энергии разложения ранее поступивших порций или подводимой от внешнего источника.

Каталитическое разложение может осуществляться как путем подачи компонента на активную поверхность твердого катализатора, размещенного во внутреннем объеме газогенератора, так и путем ввода жидкого катализатора. Газогенератор первого типа называется газогенератором с твердым катализатором, второго типа — с жидким катализатором.

Как отмечалось ранее в разд. 1, среди однокомпонентных жидких топлив наиболее широкое распространение нашли высококонцентрированная перекись водорода Н2О2 и гидразин N2H4.

16

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Для разложения перекиси водорода в качестве катализатора применяется перманганат калия (КМnО4). Каталитическое воздействие на перекись водорода оказывает не сам перманганат, а перекись марганца MnO2. При 100 %-ной концентрации H2O2 и присутствии перманганата калия реакция образования MnO2 описывается следующим уравнением:

2KМnО4 + 3Н2О2 → 2KOH + 2MnO2 + 2H2Oж + 3О2+Q1 (1)

Перекись марганца сохраняется на поверхности пакета катализатора. Количество и активность MnO2 достаточны для разложения значительной массы перекиси водорода Н2О2, непрерывно омывающей поверхность пакета.

После выделения активной перекиси марганца MnО2 протекает вторая реакция — разложение перекиси водорода:

2Н2О2 → 2H2Oж+О2 + Q2 (2) Удельный вклад в получение газообразных продуктов реакции

(1) по сравнению с основной реакцией (2) невелик [9]. Количество теплоты Q1, выделяющейся в химической реакции

(1), идет на испарение воды и нагревание парогазовой смеси, состоящей из водяного пара и кислорода. С учетом затрат теплоты на испарение воды реакцию разложения Н2О2 можно представить так:

2Н2О2 = 2H2Oгаз +О2 + 108454 кДж.

При разложении 1 кг перекиси водорода образуется примерно 3,8 м3 газа с температурой около 966 К.

Теоретические зависимости температуры (T ) и тепловыделения (RT ) продуктов разложения перекиси водорода от концентрации ее при использовании твердого катализатора показаны на рис. 11. Действительное тепловыделение при разложении Н2О2 с помощью твердого катализатора составляет примерно 0,92. . . 0,95 от теоретического [2].

Термодинамические расчеты показывают, что 98 %-ная H2O2 дает температуру парогазовой смеси до 1000 oС и удельный импульс до 1900 Н ∙ с/кг в вакууме при давлении в камере 1,0 МПа.

Перекись водорода имеет, однако, существенный недостаток, связанный с ее относительно невысокой химической стабильностью. В присутствии незначительных количеств каталитических

17

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

загрязнений (медь, серебро, оксиды железа) начинается ее разложение с выделением теплоты и повышением давления.

Рис. 11. Зависимость Т и RT продуктов разложения перекиси водорода от ее концентрации при использовании твердого катализатора

На рис. 12 показаны теоретические зависимости удельной тяги от степени расширения газа в сопле при давлении в камере 1,0 МПа для однокомпонентных жидких топлив, описанных в табл. 1. На рисунке видно, что из-за сравнительно низкой удельной тяги микродвигатели на перекиси водорода не могут конкурировать с двигателями на гидразине.

Гидразин в присутствии катализаторов разлагается с выделением теплоты и образованием газообразных продуктов, в которые входят аммиак, азот и водород. Так, из 1 кг гидразина образуется 2,9 м3 чистого неконденсированного газа с температурой примерно 1380 К, этот газ создает удельную тягу 2400 Н ∙ с/кг.

Характер процесса каталитического разложения гидразина довольно сложен и зависит от геометрической формы и размеров камеры разложения, природы и характеристик катализатора, времени разложения и других факторов.

18

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

Рис. 12. Зависимость теоретической удельной тяги Rуд.т от степени расширения газа в сопле при pк = 1, 0 МПа для однокомпонентных жидких топлив:

1 – смесь гидразина и гидразин нитрата (76 % N2H4 + 24 % N2N5NO3); 2 – гидразина (100 % N2H4) при доли разложившегося аммиака x = 0, 4; 3 – перекись водорода 100 %-ной концентрации; 4 – перекись водорода 90 %-ной концентрации; 5 – перекись водорода 80 %-ной концентрации

Термическое разложение гидразина N2H4 происходит согласно двум последовательным реакциям:

При температуре ниже 400 К NH3 диссоциирует незначительно, и продукты разложения N2H4 состоят только из газов NH3 и N2. При температуре выше 400 К происходит термическое разложение NH3 согласно уравнению (4). Этот процесс заканчивается

19

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

при температуре приблизительно 800 К. Расчеты показывают, что при адиабатическом разложении N2H4 по уравнению (3) выделяющегося количества теплоты достаточно для нагревания газов NH3

иN2 до температуры 1649 К. Однако если предположить, что равновесная диссоциация NH3 происходит согласно уравнению (4), то расчетная температура газов достигает лишь 867 К.

Равновесная концентрация NH3 при температуре 867 К пренебрежимо мала, поэтому если гидразин разлагается адиабатически

идостигает равновесия, в состав продуктов разложения в основ-

ном входят газы N2 и H2 и лишь следы NH3. Реальный состав газа в значительной степени зависит от скорости течения гидразина через катализатор [2]. В свою очередь, время пребывания гидразина в каталитическом пакете зависит от длины пакета и перепада давления на нем.

Выбором длины камеры разложения и времени пребывания топлива в каталитическом пакете можно регулировать процесс раз-

ложения аммиака (NH3) и изменять температуру рабочего тела в пределах (600. . . 1200) К. Добавляя в гидразин воду, можно снизить температуру газа до 373 К.

Вкачестве катализатора разложения гидразина широко применяется катализатор Shell-405, состоящий из таблетизирован-

ного окида алюминия Al2O3 c большой плошадью поверхности (160 м2/г), пропитанный иридием (33 % иридия и 67 % оксида алюминия), и размером частиц 0,8. . . 1,2 мм. Этот катализатор обладает высокой эффективностью. Основным недостатком катализатора Shell-405 является его высокая стоимость (цена его равна 450 долл. США за 1 кг). Поэтому наряду с катализатором Shell-405 за рубежом применяют катализаторы Н-7 и НА-3 на основе железа, никеля и кобальта, осажденных на подложку из оксида алюминия. По эффективности эти катализаторы не уступают катализатору

Shell-405, но значительно дешевле его (стоимость 13 долл. США за 1 кг). Однако для их работы требуется предварительный нагрев до температуры 300. . . 500 oC и, следовательно, дополнительный расход энергии и усложнение конструкции газогенераторов.

Наряду с гидразином в качестве однокомпонентного жидкого топлива в системах газообеспечения летательных аппаратов примененяют и несимметричный диметилгидразин (НДМГ) С2Н8N2

20

Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»

[1, 2]. При разложении НДМГ образуются следующие вещества: метан СH4, аммиак NH3, молекулярный азот N2, молекулярный водород Н2, этан С2Н6, этилен С2Н4, метиламин СН3NН2, пары НДМГ, цианистый водород HCN и твердый углерод (сажа).

Приближенно суммарную реакцию термического разложения НДМГ можно представить в следующем виде:

С2Н8N2 → 1,4 СН4 + 0,73N2+0,39Н2+0,03С2Н4 + 0,04СН3NН2 +

Увеличение плотности однокомпонентных топлив, а также изменение температуры замерзания возможно за счет введения в

топливо специальных присадок или создания новых смесей, в том числе с применением металлосодержащих компонентов. В табл. 3 приведены некоторые составы смесей, применяемые за рубежом [2].