3.2. Топлива ракетных двигателей
Под топливом РД будем понимать вещество или совокупность веществ, способных к химическим реакциям с выделением энергии и к образованию высокотемпературных продуктов для создания тяги. Таких веществ известно немало и всякий раз возникает вопрос о выборе топлива двигателей конкретной ракеты.
К топливам предъявляется широкий спектр требований, который можно разделить на два класса:
Баллистические требования - обеспечение наибольшей дальности полета ракеты или наибольшей массы полезной нагрузки.
Эксплуатационные требования - обеспечение условий эксплуатации ракеты в процессе транспортировки, заправки ракеты (жидкие топлива), хранения, воздействие продуктов сгорания на окружающую среду, наличие промышленной базы для изготовления серии ракет и др.
Ясно, что в первую очередь рассматриваются топлива с наибольшей баллистической эффективностью для выполнения целевого назначения ракеты, а эксплуатационные требования выступают как ограничения в процессе поиска лучших решений по баллистической эффективности.
К
ритерий
эффективности топлива ракетного
двигателя в составе ракеты.
Критерием качества ступени ракеты является конечная скорость (3.1).
Для достижения ее максимума следует применять топлива с наибольшим значением удельного импульса и с максимально возможной плотностью (большая плотность топлива приводит к меньшей массе конструкции двигателя и баков жидкостных ракет). Для идеальной конечной скорости ЛА характерно выражение
, (3.2)
где
- относительное содержание топлива на
борту или коэффициент заполнения
топливом. Изменение коэффициента с
от
величины
показано на
рис. 3.1 - с ростом значения коэффициента
заполнения влияние
плотности
топлива на коэффициент
с
падает.
Для первых ступеней ракет характерны
малые значения
- влияние плотности соизмеримо с влиянием
удельного импульса.
В общем случае критерием баллистической эффективности топлива в составе ДУ ступени УБР служит показатель, вытекающий из (3.2) и из условия максимума конечной скорости
. (3.3)
Значения величины «с» необходимо определять для каждой ступени ракеты в ходе баллистического анализа проектируемой УБР. В общем случае можно рекомендовать следующее:
- влияние плотности топлива на баллистическую эффективность существенно для одноступенчатых ракет и первых ступеней составных ракет – с = 0,6.. .0,75;
- влияние плотности топлива для верхних ступеней менее существенно и с = 0,15...35.
В общем случае на разных стадиях выполнения сложной программы активного полета рационально использовать топлива с различным сочетанием удельного импульса и плотности. Первые ступени ракетно-космических систем работают на недорогом топливе с повышенной плотностью (кислород + керосин), а последующие ступени на высокоимпульсном дорогом топливе с малой плотностью (кислород + водород).
В ряде случаев целесообразно даже применение топлив переменного состава (с разной плотностью) в пределах одной ступени.
3.3. Жидкие ракетные топлива
По назначению жидкие ракетные топлива (ЖРТ) подразделяют на основные, пусковые и вспомогательные. Основные предназначены для создания тяги маршевых двигателей, т. е. разгона полезной нагрузки, а также двигателей управления боевой ступенью или управления космическим аппаратом. Пусковое топливо используют в момент запуска двигателя, если основные компоненты не способны к самовоспламенению при контакте. На продуктах сгорания или разложения вспомогательных топлив работают турбины, рулевые сопла, т. е. агрегаты, не создающие основной тяги двигателя.
По числу компонентов различают одно-, двух- и трехкомпонентные топлива. Наибольшее распространение нашли двухкомпонентные топлива. Трехкомпонентные состоят из окислителя, горючего и компонентов с малой молярной массой (жидкий водород, метан) - удельный импульс увеличивается ввиду роста газовой постоянной продуктов сгорания, но усложняется конструкция двигателя, увеличивается его масса.
Двухкомпонентные топлива можно классифицировать по родственным окислителям, именно окислитель определяет особенность топлива. Различают кислородные, азотнокислые, азоттетроксидные и фторные топлива.