Основы пиротехники (стр. 57 )

Введение в твердую фазу до 20% перхлората аммония приводит к снижению. времени задержки воспламенения и образованию более чистой свободной поверхности горения, что улучшает характеристики горения.

Схема процесса горения заряда твердого топлива в потоке жидкого окислителя представлена на рис. 18.5.

Рис. 18.5. Схема процесса горения в камере комбинированного двигателя:

/-—диффузионное пламя: 2—граница пограничного слоя; 3—траектории капель; 4—зона гетерогенного горения; 5—зона реакции между каплей окислителя и твердым горючим

Капли жидкого окислителя испаряются по мере приближения к поверхности горения. Пары окислителя образуют с парами продуктов разложения топлива диффузионное пламя. Капли окислителя, пролетевшие сквозь зону диффузионного пламени, «сгорают» в среде, переобогащенной газообразным горючим, а также вступают в непосредственное взаимодействие с повеохностью горящего заряда топлива при контакте с ней.

Скорость горения топлива в КРД зависит не только от давления и природы компонентов, но и от массового потока вдоль поверхности заряда, геометрии заряда, способа подачи жидкого окислителя и его количества на единицу поверхности заряда. Эти особенности позволяют осуществлять регулирование тяги двигателя количеством подаваемого в камеру жидкого окислителя.

В экспериментальных исследованиях подобных двигателей получена величина удельного импульса 255—265 кг-с/кг. Коэффициент полноты сгорания при этом достигал 0,90-0,95 [З].

4. Ракетные двигатели на твердом топливе (РДТТ) получили наибольшее распространение благодаря простоте конструкции и разработке высокоэнергетических смесе-вых топлив. Типичная схема РДТТ показана на рис. 18.6. Основные преимущества РДТТ — простота конструкции, постоянная готовность к запуску, удобство и относительная безопасность эксплуатации, высокая надежность действия.

Рис. 18.6. Схема ракетного двигателя на твердом топливе: 1-воспламенитель; 2-корпус двигателя: 3-заряд твердого топлива; 4-сопло; 5-графитовый вкладыш; 6-топливо; 7-бронировка;8-зазор; 9-теплоизоляция двигателя; 10-стенка корпуса

Основной энергетической характеристикой топлива является удельный импульс:

где k — показатель адиабаты;

и — средний молекулярный вес газообразных продуктов сгорания;

ir— универсальная газовая постоянная в кДж/моль-град;

То ро — температура и давление в камере;

рс — давление на срезе сопла в кгс/см2.

Пример. Рассчитать удельный импульс смесевого топлива при ро== =40 кгс/см2; температура горения топлива Го=2790 К, ц=25;5, fe=l,22.

Методы расчета и измерения удельного импульса изложены достаточно полно в работах [3; 7; 69].

Наибольшую величину удельной тяги. будут иметь топлива, продукты сгорания которых имеют наименьший молекулярный вес и высокую температуру сгорания. Из всех видов твердых топлив для ракетных двигателей наиболее полно удовлетворяют этим требованиям смесевые ракетные топлива.

Эти топлива обычно состоят из тщательно перемешанных органических горючих-связующих и твердых кристаллических окислителей. Для повышения удельного импульса таких топлив в их состав обычно вводят 10—20% легких металлов или их сплавов — Mg, Al, Li, Be [7; 69].

Обладая высокой теплотой реакции и образуя при сгорании термически стабильные продукты, эти металлы позволяют повысить температуру продуктов сгорания топлива, а следовательно, и удельную тягу топлива. Однако продукты реакции этих металлов с кислородом и хлором, являясь высококипящими веществами, даже при температуре сгорания в значительной степени находятся в конденсированном виде. Поэтому введение в состав ракетных топлив значительного количества металла нецелесообразно. Наибольшее повышение удельного импульса получается при введении в состав топлива двойных сплавов или смесей легких металлов. При этом количество металла (например, Al), соединяющегося с кислородом, и количество металла (например, Li), соединяющегося с галогеном, должны соответствовать содержанию кислорода и галогена в используемом окислителе. Оптимальная величина удельного импульса получается у топлив, имеющих отрицательный кислородный баланс вследствие пониженного значения среднего молекулярного веса продуктов сгорания и меньших потерь энергии на диссоциацию, чем у стехиометрических топлив.

Используемые на практике топлива содержат обычно 80— 85% окислителя. При этом могут быть обеспечены удовлетворительные технологические свойства топлива и в некоторых случаях устранена склонность перхлоратного топлива к детонации.

Смесевые топлива могут иметь самый различный состав и обладать различными механическими свойствами. Подробный разбор с указанием как смесей, так и свойств отдельных компонентов дан в [149; 77].

В табл. 18.1 приведены некоторые типичные смесевые топлива для РДТТ.

Таким образом, рассмотренные четыре типа твердых топлив для различных реактивных двигателей принципиально представляют собой гетерогенные системы, являющиеся смесями неорганического окислителя, органического горючего и металлического горючего. Неорганический окислитель и металлическое горючее вводятся в состав топлива в виде тонкоизмельченных порошков. Состав топлива, технология изготовления и характеристики определяются главным образом типом реактивных двигателей. В табл. 18.2 приведены составы различных типов твердых пиротехнических топлив и даны их характеристики [96; 3; 149].

§ 2. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ

При разработке конкретного заряда твердого топлива, помимо энергетических характеристик, необходимо учитывать и другие свойства топлива.

Обычно для заданных габаритов, закона изменения тяги во времени, скорости горения топлива возможно подобрать геометрическую форму заряда, удовлетворяющую основным баллистическим требованиям и технологическим возможностям изготовления заряда.

На рис. 18.7 представлены наиболее распространенные формы зарядов твердого топлива.

Рис. 18.7. Типичные формы зарядов твердого топлива:

a—заряд торцового горения; б—заряд, горящий по внутреннему звездообразному каналу; в—оаряд с внутренним и наружным горением трубчатой формы;г—щелевой заряд

Для обеспечения надежной работы заряда в реальных условиях эксплуатации и создания эффективной конструкции двигателя твердые топлива должны удовлетворять целому ряду общих требований:

1.  Плотность топлива должна бытьвысокой. Увеличение плотности во всех случаях приводит к уменьшению объема камеры сгорания и уменьшению веса конструкции двигателя.

2. В процессе эксплуатации, хранения и запуска заряд подвергается различным механическим, температурным и вибрационным воздействиям, которые могут. вызвать дополнительно значительные напряжения. Разрушение каких-либо частей заряда, появление трещин, отслоений недопустимо, так как это приводит к аномальному горению и прогару или разрушению двигателя. Поэтому твердые топлива должны иметь достаточную механическую прочность.

Топлива для зарядов, скрепленных с камерой, должны быть достаточно эластичными, а для свободно вкладываемых, наоборот, жесткими.

2.  Однородность по составу всех частей заряда. В противном случае не может быть обеспечено равномерное горение заряда, а следовательно, и баллистические качества ракеты.

4. Стабильность харакатеристик топлива при его хранении и изменениях температуры окружающей среды.

5. Устойчивое горение в камере двигателя при пониженных давлениях порядка 15—35 бар. Высокое давление в камере требует увеличения толщины стенок камеры, что приводит к увеличению веса конструкции.

6. Минимальная зависимость скорости горения от начальной температуры заряда. Это зависимость характеризуется температурным коэффициентом скорости горения. Твердые пиротехнические топлива имеют наиболее низкий температурный коэффициент.

7. Возможно меньшая зависимость скорости горения топлива от давления. Топлива, имеющие слабую зависимость скорости горения от давления, имеют более низкое значение показателя степени v. Такие топлива обеспечивают наиболее стабильные внутрибаллистические характеристики, так как случайные колебания давления не вызывают в этом случае заметного изменения скорости горения топлива.

8. Возможность изготовления из твердого пиротехнического топлива крупногабаритных зарядов, обладающих необходимыми физическими свойствами (см. п. 2). Технологический процесс изготовления заряда должен быть предельно простым.

9. Топливо должно быть безопасным в обращении, химически стойким и физически стабильным при хранении, не иметь склонности к детонации при механических воздействиях и к переходу горения во взрыв при повышенном давлении.

В большинстве случаев при горении зарядов твердого топлива в двигателе вдоль горящей поверхности существует поток продуктов сгорания. Если скорость этого потока выше некоторого порогового значения, то наблюдается так называемое эрозионное горение, сопровождающееся увеличением линейной скорости горения топлива.

Упор — пороговое значение скорости потока газов. Эрозионный эффект обычно проявляется при высокой плотности заряжания и должен учитываться при разработке натурных зарядов из твердого топлива.

§ 3. ОКИСЛИТЕЛИ

Выбором окислителя в большой степени определяются свойства топлива. В качестве окислителей используют вещества, дающие в смеси с горючими высококалорийные амеси, при горении которых образуются газы с малым молекулярным весом. Кроме того, в них должно содержаться большое количество кислорода, чтобы содержание окислителя в топливе было минимальным. Для твердых пиротехнических топлив находят практическое применение нитраты и перхлораты калия, натрия, лития и аммония. Некоторые свойства этих окислителей приведены в табл. 18.3.