С. Сарнер
Химия ракетных топлив
*** 1969 ***
От нас: 500 радиоспектаклей (и учебники)
на SD‑карте 64(128)GB — ГДЕ?..
Baшa помощь проекту:
занести копеечку — КУДА?..
|
HEKOTOPЫЕ БECCИCTEMHO И HEУBEPEHHO PACПOЗHAHHЫE ФPAГMEHTЫ КНИГИ
2.1. ВВЕДЕНИЕ Определение характеристик ракетных топлив при помощи экспериментальных двигателей связано с большой затратой средств и не всегда надежно. Если данная комбинация компонентов топлива не будет исследована в широком диапазоне их соотношений, то, возможно, не будет найден оптимальный состав рассматриваемого топлива; это может привести к ошибочному выводу, что его характеристики хуже, чем на самом деле. Кроме того, выбранная конструкция двигателя может оказаться неоптимальной для данного топлива и это также приведет к ошибкам. Поэтому необходима теоретическая оценка характеристик топлив как метод выбора высокоэффективных топлив для ракетных двигателей, определения оптимального состава выбранного топлива, отбора данных для проектирования двигателей и анализа результатов их испытаний. Применение в последние пятнадцать лет цифровых вычислительных машин для теоретического определения равновесных параметров продуктов высокотемпературных реакций позволило проводить эти расчеты в больших масштабах, а появление достоверных таблиц высокотемпературных свойств компонентов продуктов сгорания сделало надежными результаты этих расчетов. В этой главе рассматриваются методы и приемы теоретического определения характеристик топлив. В случае любого ракетного двигателя (независимо от того, являются ли компоненты топлива газами, жидкостями, твердыми веществами или их комбинацией) мы имеем дело с одной и той же расчетной моделью горения, которая строится на основании положений термодинамики. Хотя с кинетической точки зрения механизмы горения твердых, жидких и гибридных топлив могут существенно отличаться между собой, особенно при использовании в топливах металлов, во всех случаях с термодинамической точки зрения достаточно лишь одной модели. Важно отметить, что в этой модели не рассматриваются ни протекающие реакции, ни полнота сгорания, а только окончательное равновесное состояние, причем предполагается, что в каждой точке ракетного двигателя рабочее тело находится в равновесном состоянии. 2.2. ДОПУЩЕНИЯ ПРИ РАСЧЕТАХ ПАРАМЕТРОВ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ И УДЕЛЬНОЙ ТЯГИ Химические процессы, протекающие в ракетных двигателях, кажутся относительно простыми. Компоненты топлива горят в камере сгорания, образуя горячие газы, которые затем расширяются в сопле. Следовательно, химическая энергия топлива преобразуется в кинетическую. Возникающие трудности обусловлены множеством возможных реакций и изменением их интенсивности с изменением температуры и'давления. Чтобы решить эту задачу, необходимо сделать некоторые упрощающие предположения. Для этой цели камеру ракетного двигателя мысленно делят на две части — камеру сгорания (горение) и сопло (расширение газов). По существу камеру сгорания можно рассматривать как устройство, обеспечивающее адиабатическое горение. В случае жидких компонентов топлива один из них обычно используется в качестве охладителя стенок камеры. Охладитель поглощает тепловую энергию, которая иначе терялась бы камерой сгорания, и возвращает эту энергию после впрыска в камеру. В случае твердых топлив благодаря изолирующему действию несгоревшей части заряда предотвращаются потери тепла через стенки камеры сгорания. Поэтому сделанное предположение вполне оправданно. Предполагается также, что камера сгорания является изобарической. Справедливость этого предположения в значительной степени зависит от конструкции камеры сгорания, а в случае твердого топлива — от целостности заряда. При нормальных условиях в течение периода установившегося горения давление по существу не меняется, так что это предположение не приводит к существенной ошибке. В случае когда из-за особенности конструкции двигателя давление не постоянно, можно использовать среднюю величину давления в камере сгорания, если изменение незначительно или его влияние мало, либо выполнить расчеты для ряда значений давления. Предполагается далее, что газообразные продукты сгорания являются идеальными газами и образовавшаяся конденсированная фаза занимает пренебрежимо малый объем. Последнее очевидно, так как даже при комнатной температуре объем, занимаемый газом, более чем в тысячу раз превосходит объем большинства твердых тел. При температурах, имеющих место в камерах ракетных двигателей, объемы твердой или жидкой фазы становятся незначительными. Предположение об идеальном газе справедливо при температурах выше ~2000° К1}, а также при низких давлениях. Так как горение обычно происходит при высоких давлениях, возможны некоторые ошибки при оценке характеристик низкотемпературных устройств, таких, как газогенераторы, стабилизирующие или корректирующие двигатели. В этих случаях рекомендуется для большей точности расчетов учитывать не-идеальность газов Другой источник ошибок, связанный с предположением об идеальности газообразных компонентов продуктов сгорания, обусловлен наличием в них газов, температура которых чуть выше их температур конденсации. К счастью, в большинстве случаев при испарении конденсированных веществ происходит разложение паров с образованием газообразных продуктов, что приводит к существенно меньшей ошибке. Наименее оправданно предположение о том, что в камере сгорания достигается химическое и термодинамическое равновесия. Это единственное предположение, отклонения от которого наблюдаются при нормальных условиях. Однако эти отклонения не слишком велики и в основном обусловлены кинетикой процессов, происходящих при горении. В случае неполного сгорания металлов степень отклонения часто определяется размерами частиц, типом компонентов и конструкцией двигателя. В целом задачу лучше решать при допущении полного равновесия, что позволяет упростить и унифицировать вычисления, а затем вычислять поправки, определив их как неполноту сгорания. Последнее общепринятое предположение, касающееся камеры сгорания, состоит в том, что скорость продуктов сгорания в ней пренебрежимо мала. Хотя продукты сгорания имеют некоторую скорость в камере, она пренебрежимо мала по сравнению со скоростью в выходном сечении сопла. Это значение температуры является грубо ориентировочным; оно зависит от давления и состава продуктов сгорания. — Прим. ред. • При среднетемпературных процессах горения (например, в газогенераторах) состав продуктов сгорания резко отличается от равновесного, в частности появляются промежуточные продукты сгорания. Поэтому уточнение расчета с учетом неидеальности продуктов сгорания без знания точного их состава вряд ли оправданно. — Прим. ред. Сопло также предполагается адиабатическим. В случае жидкостных ракетных двигателей это подтверждается теми же доводами, что и для камеры сгорания. В ракетных двигателях твердого топлива иногда применяется изоляция, что приводит к уменьшению потерь. Однако в обоих случаях несомненно имеют место некоторые потери, связанные с отводом тепла в сопло. Они весьма малы в небольших соплах, предназначенных для работы на небольших высотах или на уровне моря, и становятся более существенными в соплах, предназначенных для использования на больших высотах или в вакууме. Предположение об изэнтропическом расширении продуктов сгорания в сопле всегда является критическим. Как и предположение о достижении равновесия в камере сгорания, оно почти оправданно. Однако степень отклонения от изэнтропического течения не может быть определена стандартным путем, поэтому это отклонение следует рассматривать как потери. Следующие два предположения делаются исключительно для удобства и унификации расчетов. Во многих случаях при сравнительном анализе топлив давление в выходном сечении сопла принимается равным давлению окружающей среды, в которую происходит истечение газов1}. Благодаря этому допущению исключаются потери из-за недорасширения или перерасширения продуктов сгорания (с сопутствующей проблемой отрыва потока). Если задано давление окружающей среды для конкретного двигателя, то это предположение можно опустить и при расчетах учесть разность давлений. Однако на практике желательно иметь общий анализ характеристик топлива до определения назначения двигателя и независимо от него. Кроме того, давление окружающей среды меняется в процессе полета ракеты, что приводит к переменным характеристикам. При расчете длины сопла, обеспечивающего оптимальный импульс, с учетом давления окружающей среды требуется знать вес конструкции. На начальной стадии расчетов удобнее предположить, что давление в выходном сечении сопла равно давлению окружающей среды, а затем ввести поправки для конкретного двигателя. Обычно предполагается, что течение продуктов сгорания в сопле является одномерным. Очевидно, это предположение не отражает действительного процесса, так как поток будет следовать контуру расширяющейся части сопла, однако, чтобы учесть двумерность течения на данной стадии расчета, необходимо 1} Сравнение высокоэффективных ракетных топлив часто выполняется по пустотным удельным тягам, так как такие топлива часто целесообразно применять для верхних ступеней ракет. — Прим. ред. предварительно знать контур сопла. Это предположение также приводит к улучшению характеристик двигателя. Необходимые поправки с учетом контура сопла удобнее всего ввести в процессе анализа работы конкретного двигателя или в конце расчетов. Приведенные предположения в общем справедливы, и обусловленная ими суммарная погрешность, кроме предположения об одномерности течения, вероятно, не превышает 3%, за исключением особых случаев. Однако химические и физические процессы, протекающие при расширении продуктов сгорания, представляют собой серьезную проблему и могут существенно изменяться. С термодинамической точки зрения они могут быть учтены только путем рассмотрения двух предельных случаев. Относительно состава продуктов сгорания, содержащих только газообразные компоненты, можно сделать следующие два допущения. Состав газов в любой точке сопла либо: а) одинаков с составом газов в камере сгорания (предположение о «замороженном» течении), либо б) является равновесным и зависит от давления и температуры в рассматриваемом сечении сопла (предположение о равновесном течении). В случае замороженного течения предполагается, что константы скоростей реакций рекомбинации равны нулю, а в случае равновесного — бесконечности. В последнем случае учитывается преобразование энергии рекомбинации в кинетическую энергию, в результате чего достигаются большие скорости истечения. При наличии в продуктах сгорания конденсированной фазы можно ввести некоторые дополнительные предельные условия, связи йли ограничения, как-то: 1. Химический состав конденсированных фаз. 2. Тепловое равновесие между конденсированными и газообразной фазами. 3. Равновесие по скорости между конденсированными и газообразной фазами. Чаще всего рассматривают все три указанные равновесные состояния совместно с равновесным состоянием газообразной фазы. В этом случае вычисленное значение удельной тяги будет максимальным *). Далее излагаются рекомендации по вычислению скоростей истечения в предельных случаях, когда либо химический состав конденсированной фазы, либо ее тепловое или скоростное состояния являются «замороженными». Однако такие предположения приводят к весьма приблизительным результатам. Кроме того, в настоящее время имеются значительно более точные и сравнительно простые методы расчетов, учитывающие отставание по температуре и скорости конденсированной фазы от газообразной. Поэтому часть текста оригинала опущена — Прим. ред. |
