АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО
«СОВМЕСТНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ КРК «БАЙТЕРЕК»
(филиал)
В.Н.Сарапулов
Учебно-методическое пособие
на тему: «Компоненты ракетных топлив и сжатые газы, применяющиеся
на ракетных комплексах»
Одобрено
филиала АО «СП «Байтерек», протокол №___________
от «___»_________2010 г.
Байконур
2010 Г. Аннотация
Учебно-методическое пособие предназначено для помощи специалистам АО «СП «Байтерек» в закреплении знаний по освоению своих функциональных обязанностей.
В работе рассматриваются ракетные топлива, сжатые газы, применя-
ющиеся на ракетных комплексах, их свойства, предлагается выбор ракетного топлива.
Учебно-методическое пособие позволяет закрепить знания по компонентам ракетного топлива и сжатым газам, которые во многом определяют технический облик КРК.
Содержание
Аннотация 2
Содержание 3
Принятые сокращения 4
1 Ракетные топлива 5
2 Сжатые газы и их свойства 13
3 Выбор ракетного топлива 16
4 Практическая часть 17
Контрольные вопросы 21
Литература 22
Принятые сокращения
Г – горючее
ДУ - двигательная установка
ИТО – испытательное технологическое оборудование
КА – космический аппарат
КГЧ – космическая головная часть
КРТ – компонент ракетного топлива
О – окислитель
РАН – российская академия наук
РБ – разгонный блок
РД – ракетный двигатель
РДТТ – ракетный двигатель твердого топлива
РКК – ракетно-космический комплекс
РН – ракета-носитель
РТ – ракетное топливо
СГ – сжатые газы
ТНТ – тринитротолуол
ТТЗ – тактико-техническое задание
1 Ракетные топлива
Ракетное топливо во многом определяет технический облик, тактико-технические и эксплуатационные характеристики всего РКК, а также формирует систему эксплуатации и систему обеспечения безопасности личного состава.
В двигательных установках современных РН, КА и РБ в качестве источников энергии используется энергия химических реакций компонентов1 химического ракетного топлива2. Химическое ракетное топливо не только в на-стоящее время, но и в ближайшем будущем будет основным видом РТ.
Ракетные топлива состоят из двух принципиально различных компонентов: окислителя (О) и горючего (Г).
Окислитель - компонент РТ, состоящий преимущественно из окисли-тельных элементов и служащий для окисления горючего в РД.
Горючее - компонент РТ, состоящий преимущественно из горючих элементов и вступающий в химическую реакцию окисления (горения) при взаимодействии с окислителем в РД.
Химические ракетные топлива классифицируются по следующим признакам:
а) по агрегатному состоянию: жидкие и твердые;
б) по числу компонентов: однокомпонентные (унитарные); двухкомнатные и многокомпонентные;
в) по способности к воспламенению: несамовоспламеняющиеся и самовоспламеняющиеся;
г) по температуре кипения: низкокипящие (криогенные) и высококипящие.
______________________
1Компонент [лат. сотропепз - составляющий] ракетного топлива (КРТ) - отдельно хранимая и подводимая к РД, отличающаяся по составу, часть ракетного топлива.
2Химическое ракетное топливо - ракетное топливо, которое в результате термических реакций окисления, разложения или рекомбинации образует высокотемпературные продукты, создающие реактивную тягу при истечении из РД
Жидкие РТ позволяют получать наибольший удельный импульс, осуществлять регулирование тяги и многократные пуски ракетного двигателя. Жидкие РТ могут быть унитарными (однокомпонентными), но, чаще всего, двухкомпонентными.
Твердые РТ (ТРТ) по физической природе подразделяются на два клас-. оаллиститные (пороха) и смесевые РТ.
Баллистшпные ТРТ представляют собой твердые растворы однородных деств, молекулы которых содержат горючие и окислительные элементы.
Они применяются для вспомогательных ракетных двигателей (системы разделения ступеней, тормозные двигательные установки спускаемых аппаратов и др.).
Баллиститные ТРТ воспламеняются от маломощного источника энергии - достаточно искры от пиропатрона, пирозапала и пр.
Смесевые ТРТ представляют собой механические неоднородные смеси окислителя и горючего. В качестве окислителя используются неорганические
соединения, например, перхлорат аммония NH4CIO4, в качестве горючего -синтетические полимерные органические соединения, например, полиурета-
новый каучук. Для улучшения энергетических характеристик в качестве горючего добавляют порошкообразный металл, например, алюминий, магний и др.
Смесевые ТРТ воспламеняются только от мощного источника энергии (воспламенителя) и устойчиво горят только при наличии давления в камере сгорания (не менее 2-3 МПа).
Наличие на борту РН и КА твердых ракетных топлив предъявляет
повышенные требования по защите РН и КА от статического электричества и от механических ударов самих РДТТ.
Унитарное РТ - однокомпонентное ракетное топливо или однородная смесь (раствор) нескольких химически не взаимодействующих компонентов.
К унитарным РТ относятся перекись водорода, гидразин и др. Реакция разложения унитарных РТ происходит в реакторах при наличии катализатора. Унитарные РТ применяются только во вспомогательных устройствах, например, в газогенераторах привода турбин ТНА и в ДУ систем ориентации и стабилизации КА.
Самовоспламеняющееся топливо - двухкомпонентное жидкое РТ, воспламеняющееся при обычной температуре в случае контакта окислителя и горючего. Период задержки воспламенения составляет не более 3 - 8 мс.
Криогенное РТ [греч. krios-холод; genes - рождающий] - жидкое РТ, хотя бы один из компонентов которого является криогенным.
Криогенный компонент РТ- низкокипящий КРТ в виде сжиженного газа с температурой кипения, лежащей при нормальном давлении в области криогенных температур (ниже 120 К или -153 °С). В качестве криогенных КРТ в настоящее время применяются жидкий кислород и жидкий водород.
Основные физико-химические свойства жидких КРТ приведены в таблице 2.Компоненты РТ обладают рядом свойств, которые требуют соблюдения не только специфических мер и правил безопасности при работе с ними, но и создания особых условий эксплуатации. К этим свойствам относятся:
• токсичность;
• пожарная опасность (пожароопасность) и взрывобезопасность;
• агрессивность;
• температуры кипения и замерзания.
Токсичность КРТ -способность КРТ оказывать вредное действие на человека, животных и растения. Показателем токсичности может служить
предельно допустимая концентрация (ПДК)1 КРТ в воздухе рабочей зоны
По степени токсичности вещества, в том числе и КРТ, делятся на четыре класса
• 1-й класс - чрезвычайно опасные ПДК < 0,0001 мг/л (г/м3 );
• 2-й класс - высоко опасные ПДК = (0,0001-0,001) мг/л (г/м3);
• 3-й класс - умеренно опасные ПДК = (0,0011-0,01 ) мг/л (г/м3)
• 4-й класс - малоопасные ПДК > 0,01 мг/л (г/м ).
Таблица 2.
Физико-химические свойства КРТ
Название КРТ (условное наименование) |
Химическая формула |
Плотность, кг/м3 |
Температура кипнения,0С |
Температура замерзания,0С |
ПДК, г/м3 (мг/л) |
О К И С Л И Т Е Л И | |||||
Кислород жидкий(продукт 099) |
О2ж |
1140 |
-183 |
-218 |
- |
АК-27И (меланж) |
N2O4+HNO3 |
1560 |
60 |
-54 |
0,005 |
Азотный тетроксид(амил) |
N2O4 |
1450 |
21 |
-11 |
0,005 |
Перекись водорода (продукт 030) |
H2O2 |
1440 |
150 |
-0,5 |
0,001 |
Г О Р Ю Ч Е Е | |||||
Водород жидкий(продукт 100) |
H2ж |
71 |
-253 |
-259 |
- |
Керосин РГ-1 |
C10H20(усл.) |
1450 |
140 |
-80 |
0,3 |
Несимметричный диметилгидразин (гептил) |
(СH3)2-N2H2 |
1450 |
63 |
-52 |
0,0001 |
Гидразин (амидол) |
N2H2 |
1008 |
113 |
2 |
0,0001 |
Из анализа следует, что горючие на основе гидразина относятся к 2-му классу, а окислители на основе азотной кислоты - к 3-му классу токсичности.
Токсичность КРТ потребовала создания систем контроля утечки паров КРТ в атмосферу, применения индивидуальных средств защиты, систем сбора и нейтрализации как технологических утечек, так и аварийных проливов компонентов.
______________________________
1Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны - концентрации, которые при ежедневной (кроме выходных дней) работе в течение 8 ч или другой продолжительности, но не более 41 ч в неделю, в течение всего рабочего стажа не могут вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемые
современными методами как в процессе работы, так и в отдаленные сроки жизни настоящего и последующего поколений.
Пожарная опасность РТ - это способность РТ к возгоранию (воспла- менению) и горению горючего, как компонента РТ, в смеси с кислородом воздуха, а также в способности окислителя, как компонента РТ, воспламенять и поддерживать горение окружающих горючих материалов. Пожарная опасность ракетных горючих определяется горючестью, а ракетных окислителей -окислительной способностью.
Пожарная опасность РТ - это способность РТ к возгоранию (воспла- менению) и горению горючего, как компонента РТ, в смеси с кислородом воздуха, а также в способности окислителя, как компонента РТ, воспламенять и поддерживать горение окружающих горючих материалов. Пожарная опасность ракетных горючих определяется горючестью, а
Горючесть - способность вещества, материала, смеси, конструкции к самостоятельному горению2.
Необходимыми условиями возникновения пожара является определенная концентрация паров горючего в смеси с воздухом и достаточная мощность теплового импульса для поджигания смеси. Концентрация измеряется объемной долей r паров в смеси с воздухом. Минимальная концентрация, при которой уже возможно воспламенение, называется нижним пределом горючести, а максимальная концентрация, при которой еще возможно воспламенение, верхним пределом горючести rmax.
Для эксплуатации наиболее важен нижний предел горючести. Следует отметить, что концентрации выше верхнего предела горючести с течением
времени и на удалении от места пролива горючего понижаются и могут стать
пожароопасными. Исходя из этого, пожарную опасность оценивают нижним
пределом горючести. Косвенной мерой пожарной опасности является температура вспышки tвсп..
___________________________________
2 Горением называется процесс окисления или соединения горючего вещества с
окислителем (в том числе и с кислородом воздуха) с интенсивным выделением тепла и света.
Температура вспышки tвсп горючего - минимальная температура, при которой над поверхностью горючего создается концентрация его паров в воздухе, равная нижнему пределу горючести.
По величине температуры вспышки, полученной в открытом тигле, все пожароопасные жидкости подразделяются на горючие жидкости (tвсп >660 С) и легковоспламеняющиеся жидкости ( tвсп < 66 С ). В свою очередь, легковоспламеняющиеся жидкости подразделяются на три категории:
• особо опасные tвсп < 13 °С ;
• постоянно опасные tвсп= - 13 до 27 °С;
• опасные при повышенной температуре tвсп = (27 - 66) °С.
По величине температуры вспышки, полученной в открытом тигле, все пожароопасные жидкости подразделяются на горючие жидкости (tвсп >660 С) и легковоспламеняющиеся жидкости ( tвсп < 66 С ). В свою очередь, легковоспламеняющиеся жидкости подразделяются на три категории:
• особо опасные tвсп < 13 °С ;
• постоянно опасные tвсп= - 13 до 27 °С;
• опасные при повышенной температуре tвсп = (27 - 66) °С.
При горении скорость распространения фронта пламени в газовых смеcях не превышает Зм/с.
Определяющее влияние на развитие реакции окисления оказывает процесс смешения паров горючего и воздуха. Если смешение происходит в процессе горения, то идет собственно горение, если смешение произошло до воспламенения, то при определенных концентрациях, реакция окисления происходит в форме взрыва.
Характеристики пожарной опасности некоторых горючих приведены в таблице 3.
•Взрыв (взрывное горение) - быстрое превращение вещества, сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов. Взрыв отличается появлением высоких давлений. Скорость распространения фронта ударной волны взрыва достигает десятков и сотен метров в секунду. Наименьшая концентрация паров горючего в воздухе, при которой образовавшаяся смесь может дать взрыв, называется нижним пределом взрыва, а наибольшая концентрация - верхним пределом взрыва. Чем больше интервал взрывоопасных концентраций, тем взрывоопаснее смесь.
Под агрессивностью РТ понимают коррозионное действие на металлы и их сплавы и разрушающее действие на неметаллические материалы. Агрессивность по отношению к металлам характеризуется линейной скоростью коррозии Vкор. По скорости коррозии в данной среде металлы классифицируются:
• совершенно стойкие Vкор<0,001 мм/год
• понижено стойкие Vкор=(0,1-1,0) мм/год
• мало стойкие Vкор=(1,1-10,0) мм/год
• нестойкие Vкор >10 мм/год
Окислители на основе азотной кислоты являются агрессивными по отношению к большинству конструкционных материалов. Узлы и детали агрегатов и систем, имеющие контакт с этими окислителями, изготавливаются из совершенно стойких и понижено стойких материалов: баки ракет и цистерны - из алюминиевых сплавов и нержавеющей стали; трубопроводы и арматура систем заправки - из нержавеющей стали; уплотнения - из кислотостойкой резины и фторопласта.
Если температуры замерзания и кипения КРТ лежат в диапазоне температур окружающей среды, то эти свойства не только определяют особенности конструкции заправочного оборудования, но и формируют облик системы эксплуатации РКК.
Использование в качестве окислителя азотного тетроксида, температуры кипения и замерзания которого равны 21°С и -11°С соответственно, потребовало ввести в состав заправочного оборудования нагревательно - холодильных установок. В случае задержки пуска РКН в зимнее время возникает опасность замерзания КРТ в баках ракеты.
Применение криогенных компонентов, например, жидкого кислорода потребовало создания на космодроме завода по его производству, а применение жидкого водорода - создания сложных систем его хранения с дорогостоя-
щей вакуумной теплоизоляцией и техническими системами поддержания глубокого вакуума, а также сложной и дорогостоящей системы заправки и применения специальной теплоизоляции топливных баков РН.
Таблица 3.