Реферат на тему ракетное топливо

Обновлено: 05.07.2024

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

студент группы ТЕТ-21

студенты группы ТЕТ-21

Путятин С.С., Жидков С.М.

д.х.н., профессор Рябухин Ю.И. Астрахань- 2012

Оглавление 1. Историческая справка

. Основные виды ракетного топлива

.1 Жидкие ракетные топлива

.1.3 Сравнение наиболее распространённых жидких ракетных топлив

.2 Твёрдые ракетные топлива

.2.1 Ракетные пороха

.2.2 Смесевые ракетные топлива

Наибольших успехов в разработке ЖРД в первой половине XX в. добились немецкие конструкторы Вальтер Тиль , Гельмут Вальтер , Вернер фон Браун и др. В ходе Второй мировой войны они создали целый ряд ЖРД для ракет военного назначения: баллистической Фау-2 , зенитных Вассерфаль , Шметтерлинг , Райнтохтер R3. В Третьем рейхе к 1944 г. фактически была создана новая отрасль индустрии - ракетостроение, под общим руководством В. Дорнбергера , в то время, как в других странах разработки ЖРД находились в экспериментальной стадии.

По окончании войны разработки немецких конструкторов подтолкнули исследования в области ракетостроения в СССР и в США, куда эмигрировали многие немецкие учёные и инженеры, в том числе В. фон Браун. Начавшаяся гонка вооружений и соперничество СССР и США за лидерство в освоении космоса явились мощными стимуляторами разработок ЖРД.

В 1957 г. в СССР под руководством С. П. Королёва была создана межконтинентальная баллистическая ракета МБР Р-7 , оснащённая ЖРД РД-107 и РД-108 , на тот момент самыми мощными и совершенными в мире, разработанными под руководством В. П. Глушко . Эта ракета была использована, как носитель первых в мире искусственных спутников Земли (ИСЗ ), первых пилотируемых космических аппаратов и межпланетных

Окислитель

К самовоспламеняющимся относят такие двухкомпонентные топлива, горение которых начинается само по себе при смешении окислителя и горючего в камере двигателя.

Несамовоспламеняющиеся топлива для начала горения при запуске двигателей требуют применения дополнительных средств зажигания. Самовоспламеняющиеся топлива обеспечивают более надёжный запуск двигателя и устойчивую его работу.

Преимуществом

Таблица 1. Основные характеристики двухкомпонентных жидких топлив при оптимальном соотношении компонентов (давление в камере сгорания 100 кгс / см 2 , на срезе сопла 1 кгс / см 2 ).

Темпера-тура в камере сгорания, К

Удельный импульс в пустоте, сек

Азотная кислота (98%)

Анилин (80%) + фурфуриловый спирт (20%)

В двухкомпонентных топливах для полного сгорания обоих компонентов на каждую единицу массы одного из них требуется строго определённое количество другого. Так, для сжигания 1 кг керосина необходимо 15 кг воздуха, или 5,5 кг азотной кислоты, или 3,4 кг жидкого кислорода. В практически выполненных ЖРД окислитель подаётся в камеру в несколько меньшем количестве , чем требуется для полного сгорания.

Оказывается, в этом случае получается наибольшее значение удельной тяги. Причина заключается в том, что при уменьшении расхода окислителя несколько изменяется состав продуктов сгорания. Вследствие этого снижается процесс теплового распада молекул газов — продуктов сгорания — на атомы и ионы, который происходит с большим поглощением теплоты и бесполезным уносом её за пределы сопла, а также улучшаются условия превращения энергии в сопле.

К высококипящим относятся окислители и горючие, которые могут содержаться в жидком состоянии при обычных температурах эксплуатации ракет (до +150 0 C) под атмосферным или повышенным давлением, остальные относятся к низкокипящим .

2.1.1 Окислители

количество окислителя по

Свойства топлива во многом зависят от характера окислителя

Из низкокипящих окислителей наибольшее применение в распространённых двигателях имеет жидкий кислород . Изучается возможность использования жидкого фтора , его соединений с кислородом и озона .

Из высококипящих широко применяются азотная кислота и её смеси с четырё хокисью азота . Может применяться четырё хок сид азота , пер оксид водорода . Исследуются соединения фтора с хлором и тетранитрометаном .

Рассмотрим некоторые виды окислителей.

Основное свойство

Жидкий кислород не ядовит . Кратковременно соприкосновение его в небольших количествах с открытыми участками тела человека неопасно: образующийся газообразный слой не допускает обмораживания кожи.

При обычных условиях эксплуатации азотная кислота — жидкость, что является одним из её преимуществ. Ракеты, в которых она используется в качестве окислителя, могут длительное время храниться заправленными , в постоянной готовности к пуску. К недостаткам в эксплуатации относится значительное повышение давления в герметически закрытых ёмкостях с азотной кислотой , вследствие процесса её разложения. Главный недостаток азотной кислоты — высокая коррозийная активность по отношению к большинству материалов. Агрессивность азотной кислоты значительно усложняет обращение с ней. Хранение и транспортировка её производится с использованием специальных ёмкостей.

Стоимость азотной кислоты невелика. Основной метод получения азотной кислоты заключался в окислении аммиака кислородом воздуха в присутствии платины и растворении получившихся ок сид ов азота в воде.

более эффективным окислителем

низкая температура кипения

малой коррозийной активностью

В настоящее время пероксид водорода мало применяется, т. к. топлива на его основе дают сравнительно невысокую тягу.

образует самовоспламеняющиеся топлива

2.1.2 Горючее

В качестве горючего в жидких топливах применяются в основном вещества, в которых окисляемыми атомами химических элементов являются атомы углерод а и водород а . В природе существует чрезвычайно большое количество химических соединений этих элементов. Большинство из них относятся к органическим веществам.

правильный выбор имеет большое значение

чаще всего применяется углеводород

Рассмотрим некоторые виды горючего.

Для улучшения физико-химических свойств, амины используются в качестве горючего в смеси с другими веществами, в том числе и с другими аминами .

Горючее на основе аминов нашло применение в самовоспламеняющихся топливах с азотной кислотой, четырё хок сидом азота и их смесями.

применяется в смесях с другими веществами

4. НЕСИММЕТРИЧНЫЙ ДИМЕТИЛГИДРАЗИН [H ₂N-N(CH ₃) ₂] представляет собой бесцветную прозрачную жидкость с резким запахом.

2.1.3 Сравнение наиболее распространённых жидких ракетных топлив

1. Топлива на основе жидкого кислорода обеспечивают наибольшую удельную тягу из всех применяемых в настоящее время ракетных топлив. Их основной недостаток — низкая температура кипения окислителя. Это затрудняет использование их в боевых ракетах, которые должны длительное время находиться в готовности к пуску.

Особое место

хорошими охлаждающими свойствами

Такие горючие как смесь аминов , несимметричный диметилгидразин и некоторые другие вещества образуют с азотнокислотными окислителями самовоспламеняющиеся топлива . Керосин и другие углеводороды требуют принудительного зажигания .

По внешнему виду

Рис. 1. Структурная формула нитроглицерина

2.2.1 Ракетные пороха

Ракетные пороха представляют собой сложные многокомпонентные системы, в которых каждому веществу отведена своя роль с целью получения заданных свойств того или иного вида пороха. Основным компонентом порохов являются нитраты целлюлозы , которые при сгорании выделяют наибольшее количество тепловой энергии. Они же определяют и физико-химические свойства пороха. Рассмотрим некоторые составные части порохов.

Для пластификации нитроцеллюлозы с целью облегчения технологии производства, увеличения сроков и допустимой температуры хранения зарядов применяют и другие растворители.

Кроме нитроглицерина и нитро гликоля иногда применяется такой растворитель нитроцеллюлозы , как нитрогуанидин .

высоких температур и давления

2.2.2 Смесевые ракетные топлива

Смесевые топлива по сравнению с порохами, по составу значительно проще. Они включают в себя два-три, редко четыре компонента. Рассмотрим некоторые из них.

Многие твёрдые полимеры получают из жидких веществ — мономеров , молекулы которых состоят из сравнительно небольшого числа атомов. Мономеры способны самопроизвольно соединяться в длинные цепи — полимеры? этот процесс называется полимеризацией .

Для ускорения полимеризации, или отверждения, применяются некоторые специальные вещества, называемые инициаторами , или отвердителями .

смешиваться с наполнителями

Для применения в качестве горюче-связующих веществ удовлетворительными свойствами обладают синтетические соединения типа каучуков , смол и пластмасс , а также тяжёлые нефтепродукты — асфальт и битум . Состав и свойства нефтепродуктов колеблются в очень широких пределах, а нужные механические свойства сохраняются только в небольшом интервале температур. Поэтому чаще употребляются синтетические вещества , имеющие более постоянный состав и лучшие механические свойства. На практике применяют каучуки — ПОЛИУРЕТАНОВЫЙ , БУТАДИЕНОВЫЙ и ПОЛИСУЛЬФИДНЫЙ , смолы — ПОЛИЭФИРНУЮ , ЭПОКСИДНУЮ И КАРБАМИДНУЮ , а также некоторые пластмассы, в состав которых входят атомы азот а , кислород а , сер ы или хлор а .

Кроме чистых металлов изучается применение в качестве дополнительных горючих веществ их соединений с водородом (гидридов).

Технология изготовления зарядов из смесевых топлив включает смешение компонентов топлива, отливку и отверждение. В общем процесс изготовления смесевых топлив проще, чем порохов, однако при изготовлении крупногабаритных зарядов приходится преодолевать большие технологические трудности.

ракетное топливо горючее окислитель Использованные электронные ресурсы:

А. В. Карпенко

Примеры похожих учебных работ

Топливо в структуре энергетических ресурсов

. энергоресурсов дано в гл. 1. В качестве альтернативы нефтяных топлив рассматривают энергетические аккумуляторы. 1. Для комплексной оценки топлив и смазочных материалов (Т и С) используют понятие качества. .

Ракетный двигатель

. включение. При длительном хранении заряда его характеристики ухудшаются незначительно. 2. Ядерные ракетные двигатели Ядерный ракетный двигатель — реактивный двигатель, рабочее тело в котором (например, водород, аммиак и др.) нагревается за .

Топлива для газовых турбин

. газотурбинных установках могут использоваться следующие виды топлива: природный газ; сжиженный газ; дизельное топливо; дистилляты; керосин; попутный нефтяной газ; биогаз (газ, образованный из отходов, сточных вод и мусорных свалок); .

Реактивные топлива

Основные виды и характеристики топлив

. выше теплотворная способность топлива, тем оно ценнее, так как для получения одного и того же количества тепла его потребуется меньше. . не превышает 1600 С, каменного угля - 2050 С, бензина - 2100 С. Доля топлива в общей структуре энергоресурсов, .

Смесевое твердое топливо, изобретенное в США, по своим энергетическим характеристикам намного превосходило все сорта наших порохов, применявшиеся в ракетной артиллерии. Мощная американская химическая промышленность с подсказки ракетчиков оценила перспективность открытия и разработала технологию крупномасштабного производства.

Смесевое твердое ракетное топливо представляет собой механическую смесь твердых мелких частиц окислителя, порошка металла или его гидрида, равномерно распределенных в органическом полимере, и содержит до 10-12 компонентов. В качестве окислителей применяются богатые кислородом соли азотной (нитраты) и хлорной (перхлораты) кислот и органические нитросоединения. Основным горючим является металл в виде высокодисперсных порошков. Наиболее дешевое и распространенное горючее - порошок алюминия. Смесевые топлива даже при хорошо налаженной технологии остаются значительно более дорогими по сравнению с лучшими по энергетическим показателям жидкими компонентами. При заливке в корпус ракеты формируется внутренний канал горения. Корпус двигателя дополнительно защищается от теплового воздействия слоем топлива.

1. Смесевые ракетные топлива

1.1. Изготовление на основе солей неорганичеких кислот

В качестве смесевых топлив используются, как правило, соли неорганических кислот - азотной и хлорной. Их особенность - большой процент кислорода в молекуле. Все они по массе примерно наполовину состоят из кислорода. В обычных условиях они обладают химической стойкостью, но при сильном нагревании способны распадаться с выделением свободного кислорода. Все твёрдые окислители имеют в своём составе, помимо кислорода, атомы химических элементов, способные к окислению. Поэтому при разложении этих окислителей часть кислорода оказывается связанной с этими элементами и свободного кислорода выделяется значительно меньше, чем имеется в молекуле.

Самым распространённым окислителем твёрдых топлив является перхлорат аммония [NH₄ClO₄]. Эта соль представляет собой белый (бесцветный) кристаллический порошок, и разлагается она при нагревании выше 150 0 С. На воздухе незначительно увлажняется. Чувствителен к удару и трению, особенно при наличии органических примесей. Может гореть без горючего и взрываться. При горении не выделяет твёрдых веществ, но в его продуктах сгорания содержится агрессивный и довольно ядовитый газ - хлористый водород (HCl), который при наличии влаги образует с ней соляную кислоту. Преимущества перхлората аммония состоят в том, что он обладает невысокой температурой разложения и разлагается только на газообразные продукты с небольшой молекулярной массой, обладает малой гигроскопичностью, доступен, дёшев.

Другим окислителем является перхлорат калия [KClO₄]. Эта соль разлагается при температуре выше 440 0 С, на воздухе не увлажняется (негигроскопична), не горит и не взрывается. Весь кислород, содержащийся в её составе, является активным. При сгорании она выделяет твёрдое вещество - хлорид калия, который создаёт плотное дымовое облако. Наличие хлорида калия в продуктах сгорания резко ухудшает свойства ракетных топлив, т. е. условия перехода тепловой энергии в кинетическую в сопле ракетного двигателя.

Ещё один широко используемый окислитель - нитрат аммония[NH₄NO₃] (аммиачная селитра), используется также как азотное удобрение. Представляет собой бесцветный (белый) кристаллический порошок. Разлагается при температуре 243 0 С. Способен гореть и взрываться. При сгорании выделяется большое количество только газообразных продуктов. Смеси с органическими веществами способны самовозгораться, поэтому хранение ракетных топлив на его основе представляет серьёзную проблему. Имеет ядовитые свойства.

Приведёнными примерами не исчерпывается перечень возможных окислителей твёрдотопливных ракетных двигателей, в качестве которых могут использоваться, например, перхлораты лития[LiClO₄], нитрозила [NOClO₄] и нитрония [NO₂ClO₄], динитрат гидразина [N₂H₄ Ч 2 NO₃] и др.

Горюче-связующие вещества смесевых топлив - это высокомолекулярные органические соединения, или полимеры. Полимерами называются такие соединения, молекулы которых состоят из очень большого числа элементарных звеньев одинаковой структуры. Элементарные звенья соединяются между собой в длинные цепи линейного или разветвлённого строения. Свойства полимера зависят от химического строения элементарных звеньев, их количества и взаимного расположения.

Многие твёрдые полимеры получают из жидких веществ - мономеров, молекулы которых состоят из сравнительно небольшого числа атомов. Мономеры способны самопроизвольно соединяться в длинные цепи - полимеры ? этот процесс называется полимеризацией.

Для ускорения полимеризации, или отверждения, применяются некоторые специальные вещества, называемые инициаторами, или отвердителями.

Многие высокомолекулярные соединения способны хорошо смешиваться и склеиваться с порошками (с кристаллическим окислителем и металлическим порошком), а затем превращаться в твёрдую монолитную массу после полимеризации. При нагревании некоторые полимеры размягчаются, становятся вязкотекущими, и в таком виде могут смешиваться с наполнителями, прочно удерживая их. При этом их можно заливать в формы и получать топливные заряды заданных размеров и форм.

Для применения в качестве горюче-связующих веществ удовлетворительными свойствами обладают синтетические соединения типа каучуков, смол и пластмасс, а также тяжёлые нефтепродукты - асфальт и битум. Состав и свойства нефтепродуктов колеблются в очень широких пределах, а нужные механические свойства сохраняются только в небольшом интервале температур. Поэтому чаще употребляются синтетические вещества, имеющие более постоянный состав и лучшие механические свойства. На практике применяют каучуки - полиуретановый, бутадиеновый и полисульфидный смолы - полиэфирную, эпоксидную и карбамидную, а также некоторые пластмассы, в состав которых входят атомы азота, кислорода, серы или хлора.

Основные недостатки полимерных смол и пластмасс как горюче-связующих веществ - малая эластичность и повышенная хрупкость при низких температурах. От этих недостатков в основном свободны синтетические каучуки.

1.3. Изготовление на основе порошкообразных металлов

Порошкообразные металлы могут вводиться в состав смесевых топлив в качестве дополнительного горючего компонента. Для этого пригодны металлические бериллий, литий, алюминий, магний, а так же некоторые их соединения. В результате введения указанных металлов происходит повышение запаса энергии топлива, т. е. увеличивается удельная тяга двигателей. Кроме того, металлические добавки повышают удельный вес топлива, что улучшает характеристики двигателя и ракеты в целом. При этом следует учитывать, что чем больше содержание металлсодержащего горючего, тем выше температура продуктов их сгорания. Почти все современные смесевые топлива содержат в качестве компонентов металлы.

Наиболее эффективным металлическим горючим является бериллий, однако перспективы применения бериллия очень ограничены, потому что его запасы незначительны, а продукты сгорания весьма ядовиты. Следующий по эффективности металл - литий. Его применение тормозится очень низкой температурой плавления (+186 0 С) и самовоспламенением на воздухе в расплавленном состоянии. Самым распространённым и наиболее дешёвым металлическим горючим является алюминий. Применение тонко измельчённого порошка алюминия в смесевых топливах не только повышает удельную тягу двигателей, но и улучшает надёжность их запуска и увеличивает стабильность горения топлива. Магний применяется редко, так как он в топливах даёт малую удельную тягу.

Катализаторы и другие добавки вводятся в смесевые топлива в небольших количествах для улучшения процесса горения (сажа, соли некоторых металлов), придания топливу пластичных свойств (растительные, минеральные и синтетические масла), улучшения стойкости при хранении и стабильности состава (диэтилфталат, этилцентралит), облегчения технологии производства.

2. Состав смесевых ракетных топлив

Смесевые твердые топлива содержат 20…30% связующего каучукообразного или смолообразного вещества, 60…80% окислителя и до 20% алюминия; имеются также составы, содержащие компоненты баллиститных и смесевых топлив. Возможно также применение в качестве горючего гидридов легких и тяжелых металлов. В качестве окислителей обычно применяют перхлорат аммония; возможно применение других твердых солей хлорной и азотной кислот, богатых кислородом (табл. 1.9).

В качестве горюче-связующего используются каучуки (полисульфидный, полиуретановый и др.), полимеры (полиэфирные, фенольные и эпоксидные смолы, полиизобутилен и др.), тяжелые нефтепродукты (асфальт, битум и др., табл. 1.10). В смесевые твердые топлива иногда добавляют также октоген и гексоген. Некоторые составы (с известной долей условности) смесевых твердых топлив США и их характеристики приведены в табл. 1.11 [18].

Обычные смесевые топлива не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к газогенераторным топливам. Поэтому разрабатывают специальные газогенераторные составы топлив с низкой температурой горения, ограниченной сверху (жаропрочностью материалов клапанов, турбинных лопаток и других элементов проточной части) и снизу (устойчивостью горения топлива). Кроме того, ГГ иногда должны работать длительное время, и топливо должно иметь малую скорость горения. Для регулируемых ГГ предложен состав топлива, у которого скорость горения уменьшается с ростом давления. Дополнительные требования могут предъявляться и к составу продуктов сгорания топлив для ГГ: отсутствие конденсированной фазы, коэффициент избытка окислителя должен быть не более единицы (обычно). Смесевые топлива применяют и в воспламенительных ГГ (двигателях запуска).

К смесевым твердым топливам можно отнести пиротехнические составы. Пиротехнические составы применяются как наполнители воспламенительных устройств и пироэнергодатчиков; возможно их применение и в ГГ.

Основные компоненты, входящие в пиротехнические составы, можно разбить на следующие группы:

1. Окислители – перхлорат калия KCIO , нитраты натрия Na NO , калия KNO , бария Ba(NO , перекись и хромат бария BaO и др.

2. Горючие – металлы (алюминий, магний, цирконий, бор, титан) и сплавы (алюминиево-магневый, циркониево-никелевый), неметаллы (фосфор, углерод и сера), неорганические соединения (сульфиды, фосфиды, силициды и др.), органические соединения.

Современная авиация в основном оснащена воздушно-реактив¬ными двигателями (ВРД). В этих двигателях топливо в камеру сгорания подается непрерывно, и вследствие этого процесс горения протекает постоянно. Лишь для запуска двигателя используют постороннее зажи¬гание. Также непрерывно поступает в камеру сгорания ВРД и воздух (требуемый для сжигания топлива), предварительно сжатый и нагретый в компрессоре.

Содержание работы

Реактивное топливо • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 3
Получение реактивного топлива • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • •4
Свойства реактивного топлива • • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • 5
Испаряемость• • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •5
Полнота и теплота сгорания реактивных топлив• • • • • • • • • • • • • • ••6
Прокачиваемость• • • • • • • • • • • • • • •• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 8
Склонность к образованию отложений• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •11
Совместимость с материалами• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 12
Противоизносные свойства• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 14
Список литературы• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •17

Файлы: 1 файл

РЕФЕРАТ ТХ.docx

Министерство образования Российской Федерации

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра химической технологии

РЕФЕРАТ НА ТЕМУ

Выполнил студент группы ЭЛ-09-1 А.Н. Рахматулин

шифр подпись И. О. Фамилия

Нормоконтроллер профессор О.И.Дошлов

подпись И. О. Фамилия

Реактивное топливо · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 3

Получение реактивного топлива · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · ·4

Свойства реактивного топлива · · · · · · · · · · · · · · ·· · · · · · · · · · · · · · · · 5

Полнота и теплота сгорания реактивных топлив· · · · · · · · · · · · · · ··6

Склонность к образованию отложений· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·11

Совместимость с материалами· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 12

Противоизносные свойства· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · 14

Список литературы· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·17

Современная авиация в основном оснащена воздушно-реактивными двигателями (ВРД). В этих двигателях топливо в камеру сгорания подается непрерывно, и вследствие этого процесс горения протекает постоянно. Лишь для запуска двигателя используют постороннее зажигание. Также непрерывно поступает в камеру сгорания ВРД и воздух (требуемый для сжигания топлива), предварительно сжатый и нагретый в компрессоре. Газообразные продукты сгорания из камеры сгорания поступают в турбину, где часть тепловой энергии превращается в механическую работу вращения колеса турбины, от вала которого приводится в движение ротор компрессора, а также топливный и масляный насосы. После турбины продукты сгорания топлива в виде газового потока проходят реактивное сопло и, расширяясь в нем, создают реактивную силу тяги, с помощью которой и осуществляется полет самолета.

В турбореактивных двигателях топливо, проходя через топливо- масляный радиатор, снижает температуру смазочного масла, т.е. выполняет функцию охлаждающей среды. Помимо этого, топливо используют и для смазывания деталей трения топливных насосов. Кроме того, изменяя подачу топлива с помощью топливорегулируюшей аппаратуры, регулируют скорость полета самолета. Основные свойства реактивных топлив: хорошая испаряемость для обеспечения полноты сгорания; высокие полнота и теплота сгорания, предопределяющие дальность полета самолета;

хорошие прокачиваемость и низкотемпературные свойства для обеспечения подачи топлива в камеру сгорания;

низкая склонность к образованию отложений, характеризуемая высокой химической и термоокислительной стабильностью;

хорошая совместимость с материалами: низкие противокоррозионные свойства по отношению к металлам и отсутствие воздействия на резиновые технические изделия;

хорошие противоизносные свойства, обусловливающие небольшое изнашивание деталей топливной аппаратуры;

антистатические свойства, препятствующие накоплению зарядов статического электричества, что обеспечивает пожаробезопасность при заправке летательных аппаратов.

Получение реактивного топлива

Реактивные топлива вырабатываются в основном из среднедистиллятных фракций нефти, выкипающих при температуре 140—280(°)С (лигроино-керосиновых). Широкофракционные сорта реактивных топлив (Т-2) изготовляются с вовлечением в переработку также бензиновых фракций нефти. Для получения некоторых сортов реактивных топлив (Т-8В, Т-6) в качестве сырья применяются вакуумный газойль и продукты вторичной переработки нефти. В реактивные топлива могут вводиться функциональные присадки (антиокислительные, противоизносные и др.).

По способу получения реактивные топлива делятся на прямогонные и гидрогенизационные. Первые (Т-1, ТС-1, Т-2) получаются непосредственно из отогнанных фракций нефти без их глубокой переработки. Технология получения вторых (РТ, Т-8В, Т-6) включает такие процессы, как гидроочистку (РТ, Т-8В), глубокое гидрирование (Т-6), гидрокрекинг (Т-8В), основным содержанием которых является воздействие водорода при высоких давлениях и температурах на углеводороды и гетероорганические соединения нефти. При гидроочистке из нефтяного дистиллята удаляются агрессивные и содержащие серу, азот и кислород нестабильные соединения практически без изменения углеводородного состава топлива. При гидрокрекинге и гидрировании наряду с очисткой исходного сырья происходит изменение его углеводородного состава (превращение непредельных соединений в насыщенные).
Применение гидрогенизационных процессов при производстве реактивных топлив позволяет расширить сырьевую базу топлив и значительно повысить их термостабильность. Основными сортами отечественных реактивных топлив являются ТС-1, РТ и Т-6 (табл. 2).

Топливо ТС-1 является массовым реактивным топливом для дозвуковой авиации и сверхзвуковой авиации с ограниченной продолжительностью сверхзвукового полёта. Топливо РТ полностью удовлетворяет эксплуатационным требованиям, предъявляемым к топливу ТС-1, и может применяться вместо него. Вместе с тем, будучи более термостабильным, оно допускает нагрев в топливной системе силовой установки до более высоких температур, и поэтому допущено к применению в теплонапряжённых двигателях самолётов с увеличенной продолжительностью сверхзвукового полёта, в течение которого вследствие аэродинамического нагревания возможно значительного повышение температуры топлива в баках самолёта.

Свойства реактивного топлива

Испаряемость — одно из важнейших свойств реактивных топлив. Она влияет на пределы устойчивого горения топлива, полноту сгорания, нагарообразование в камере сгорания двигателя, бесперебойную работу топливных насосов и склонность к образованию паровых пробок в топливной системе самолетов в условиях высотных полетов. От испаряемости топлив зависят запуск двигателя и потери топлива от испарения при полетах на больших высотах. Реактивные топлива имеют более широкий диапазон температур выкипания, чем топлива другого назначения. Для ВРД используют топлива различного фракционного состава: для дозвуковой авиации — типа керосина с пределами выкипания от 136-156 до 250-280 °С (топлива ТС-1, РТ, Т-1) и широкого фракционного состава (60-280 °С), представляющее собой бензино-керосиновую фракцию (топливо Т-2), и для сверхзвуковой авиации — топлива Т-8В, выкипающее при температуре от 165 до 280 °С, и Т-6, выкипающее при температуре от 195 до 315 "С.

Снижение степени влияния испаряемости реактивных топлив на работу двигателя достигается чисто конструктивными мерами, что позволяет использовать на реактивных двигателях топлива, различные по испаряемости. При этом температура начала кипения топлива характеризует его склонность к образованию паровых пробок в топливной системе и пусковые свойства; температура выкипания 10 % (об.) — пусковые свойства, а 98 % (об.) — полноту испарения, определяющую полноту сгорания топлива.

Учитывая аэродинамический нагрев топлива в баках самолета, имеющий место при сверхзвуковом полете, во избежание образования паровых пробок в топливной системе регламентируются более высокие значения температуры начала кипения топлив, предназначенных для сверхзвуковых самолетов.

Полнота и теплота сгорания реактивных топлив

С понижением полноты сгорания топлива склонность его к нагарообразованию в двигателе возрастает. Нагар отлагается на сопле форсунки, на стенках камеры сгорания, на лопатках турбины. Нагарообразование в двигателе крайне нежелательно. Отложения нагара на форсунках изменяют форму струи распыливаемого топлива, вследствие чего ухудшаются условия его распыливания и испарения, а также нарушается распределение температур вдоль пространства сгорания. Нагарообразование на лопатках турбины вызывает их децентрирование и выход из строя. Частицы нагара, отделяясь от стенок камеры сгорания и, попадая вместе с газами на лопатки турбины, вызывают их эрозию.

Наличие в пламени сажистых частиц (продуктов неполного сгорания топлива) вызывает его свечение, что связано с излучением тепла пламенем, приводящим к повышению температуры стенок камеры сгорания, их местному короблению и прогару.

Показателями, характеризующими горение реактивных топлив, являются высота некоптящего пламени и люминометрическое число. Кроме того, склонность реактивных топлив к нагарообразованию в двигателе и свечению пламени оценивают по содержанию в них ароматических углеводородов.

Комплексом методов квалификационной оценки реактивных топлив предусмотрено определение их склонности к нагарообразованию на однокамерной установке. С повышением высоты Н некоптящего пламени склонность топлива к нагарообразованию снижается:

Значения люминометрического числа реактивных топлив и высота некоптящего пламени зависят от их углеводородного и фракционного составов. Наиболее низкие значения этих показателей имеют нафталиновые, нафтено-ароматические и моноциклические ароматические углеводороды, а наиболее высокие, снижающиеся с увеличением молекулярной массы и разветвлением молекулы, — парафиновые. Склонность реактивных топлив к нагарообразованию в значительной мере определяется конструкцией камеры сгорания двигателя.

Удельный расход топлива в реактивных двигателях определяет дальность полета самолета. Он снижается с увеличением полноты сгорания топлива, а также с повышением низшей теплоты его сгорания.

Для различных условий эксплуатации самолетов более важное значение имеет массовая, либо объемная теплота сгорания. Так, поскольку объем топливных баков для самолетов с дозвуковой скоростью полетов строго не ограничен, основное значение имеет массовая теплота сгорания. В сверхзвуковых самолетах, где объем топливных баков жестко лимитирован, превалирующее значение приобретает объемная теплота сгорания. Для всех марок реактивных топлив стандартами и техническими условиями регламентируется массовая теплота сгорания. Значения объемной теплоты сгорания топлива Регламентируют косвенно, так как она равна произведению массовой

Ракетное топливо содержит в своем составе горючее и окислитель и, в отличие от реактивного топлива, не нуждается во внешнем компоненте: воздухе или воде. Ракетные топлива по своему агрегатному состоянию делятся на жидкие, твердые и гибридные. Жидкие топлива подразделяются на криогенные (с температурой кипения компонентов ниже нуля градусов по Цельсию) и высококипящие (остальные). Твердые топлива состоят из химического соединения, твердого раствора или пластифицированной смеси компонентов. Гибридные топлива состоят из компонентов в разном агрегатном состоянии, на данный момент находятся в стадии исследований.

Исторически первым ракетным топливом послужил дымный порох, состоящий из смеси селитры (окислителя), древесного угля (горючего) и серы (связующего), который впервые был использован в китайских ракетах во 2 веке н.э. Боеприпасы с ракетным двигателем твердого топлива (РДТТ) применялись в военном деле как зажигательное и сигнальное средство.

После изобретения в конце XIX века бездымного пороха на его основе было разработано однокомпонентное баллиститное топливо, состоящее из твердого раствора нитроцеллюлозы (горючего) в нитроглицерине (окислителе). Баллиститное топливо обладает кратно большей энергетикой по сравнению с дымным порохом, имеет высокую механическую прочность, хорошо формуется, длительно сохраняет химическую стабильность при хранении, обладает низкой себестоимостью. Эти качества предопределили широкое использование баллиститного топлива в наиболее массовых боеприпасах, оснащенных РДТТ – реактивных снарядах и гранатах.

После Второй мировой войны ракетное оружие получило приоритет в развитии по сравнению с другими видами вооружения по причине своей способности доставлять к цели ядерные заряды на любое расстояние – от нескольких километров (реактивные системы) до межконтинентальной дальности (баллистические ракеты). Кроме того, ракетное оружие существенно потеснило артиллерийское в авиации, ПВО, сухопутных войсках и на флоте за счет отсутствия силы отдачи при пуске боеприпасов с ракетными двигателями.

Одновременно с баллиститным и жидким ракетным топливом развивались многокомпонентные смесевые твердые топлива, как наиболее приспособленные к применению в военных целях в связи с их широким температурным диапазоном эксплуатации, устранением опасности разлива компонентов, меньшей стоимости твердотопливных ракетных двигателей за счет отсутствия в их конструкции трубопроводов, клапанов и насосов, большей тягой на единицу веса.

Основные характеристики ракетных топлив

Кроме агрегатного состояния своих компонентов, ракетные топлива характеризуются следующими показателями:

— удельный импульс тяги;
— термическая стабильность;
— химическая стабильность;
— биологическая токсичность;
— плотность;
— дымность.

Удельный импульс тяги ракетных топлив зависит от давления и температуры в камере сгорания двигателя, а также молекулярного состава продуктов сгорания. Кроме того, удельный импульс зависит от степени расширения сопла двигателя, но это больше относится к внешней среде применения ракетной техники (воздушная атмосфера или космическое пространство).

Повышенное давление обеспечивается с помощью использования конструкционных материалов с высокой прочностью (стальных сплавов для ЖРД и органопластиков для РДТТ). В этом аспекте ЖРД опережают РДТТ по причине компактности своего двигательного агрегата по сравнению с корпусом твердотопливного двигателя, являющегося одной большой камерой сгорания.

Высокая температура продуктов сгорания достигается с помощью добавления в твердое топливо металлического алюминия или химического соединения – гидрида алюминия. Жидкое топливо может использовать подобные добавки только в случае его загущения специальными добавками. Теплозащита ЖРД обеспечивается с помощью охлаждения топливом, теплозащита РДТТ – с помощью прочного скрепления топливной шашки со стенками двигателя и применения выгорающих вкладышей из углерод-углеродного композита в критическом сечении сопла.

Молекулярный состав продуктов сгорания/разложения топлива влияет на скорость истечения и их агрегатное состояние на срезе сопла. Чем меньше вес молекул, тем больше скорость истечения: наиболее предпочтительными продуктами сгорания являются молекулы воды, за ними следуют молекулы азота, углекислого газа, окислы хлора и других галогенов; наименее предпочтительным является окисел алюминия, который конденсируется в сопле двигателя до твердого состояния, снижая тем самым объем расширяющихся газов. Кроме того, фракция окисла алюминия вынуждает применять сопла конической формы из-за абразивного износа наиболее эффективных сопел Лаваля с параболической поверхностью.

Термическая стабильность твердых топлив в основном определяется соответствующим свойством растворителя и полимерного связующего. В составе баллиститных топлив растворителем является нитроглицерин, который в твердом растворе с нитроцеллюлозой имеет температурный диапазон эксплуатации от минус до плюс 50°C. В смесевых топливах в качестве полимерного связующего используются различные синтетические каучуки с тем же температурным диапазоном эксплуатации. Однако термическая стабильность основных компонентов твердого топлива (динитрамид аммония +97°C, гидрид алюминия +105°C, нитроцеллюлоза +160°C, перхлорат аммония и октоген +200°C) значительно превышает аналогичное свойство известных связующих, в связи с чем актуальным является поиск их новых составов.

Наиболее химически стабильной является топливная пара АТ+НДМГ, поскольку для неё разработана уникальная отечественная технология ампулизированного хранения в алюминиевых баках под небольшим избыточным давлением азота в течение практически неограниченного времени. Все твердые топлива со временем химически деградируют из-за самопроизвольного разложения полимеров и их технологических растворителей, после чего олигомеры вступают в химические реакции с другими, более стойкими компонентами топлива. Поэтому шашки РДТТ нуждаются в регулярной замене.

Биологически токсичным компонентом ракетных топлив является НДМГ, который поражает центральную нервную систему, слизистые оболочки глаз и пищеварительного тракта человека, провоцирует раковые заболевания. В связи с этим работа с НДМГ ведется в изолирующих костюмах химзащиты с применением автономных дыхательных аппаратов.

Величина плотности топлива прямо влияет на массу топливных баков ЖРД и корпуса РДТТ: чем больше плотность, тем меньше паразитная масса ракеты. Наименьшая плотность у топливной пары водород+кислород — 0,34 г/куб. см, у пары керосин+кислород плотность составляет 1,09 г/куб. см, АТ+НДМГ – 1,19 г/куб. см, нитроцеллюлоза+нитроглицерин – 1,62 г/куб. см, алюминий/гидрид алюминия + перхлорат/динитрамид аммония – 1,7 г/куб.см, октоген+перхлорат аммония – 1,9 г/куб. см. При этом надо учитывать, что у РДТТ осевого горения плотность топливного заряда примерно в два раза меньше плотности топлива из-за звездообразного сечения канала горения, применяемого с целью поддержания постоянного давления в камере сгорания вне зависимости от степени выгорания топлива. То же самое относится к баллиститным топливам, которые формируются в виде набора лент или шашек для сокращения времени горения и дистанции разгона реактивных снарядов и ракет. В отличии от них плотность топливного заряда в РДТТ торцевого горения на основе октогена совпадает с указанной для него максимальной плотностью.

Последним из основных характеристик ракетных топлив является дымность продуктов сгорания, визуально демаскирующих полет ракет и реактивных снарядов. Указанный признак присущ твердым топливам, содержащим в своем составе алюминий, окислы которого конденсируются до твердого состояния в процессе расширения в сопле ракетного двигателя. Поэтому указанные топлива применяются в РДТТ баллистических ракет, активный участок траектории которых находится вне зоны прямой видимости противника. Авиационные ракеты снаряжаются топливом на основе октогена и перхлората аммония, реактивные снаряды, гранаты и противотанковые ракеты – баллиститным топливом.

Энергетика ракетных топлив

Для сравнения энергетических возможностей различных видов ракетного топлива необходимо задать для них сопоставимые условия горения в виде давления в камере сгорания и степени расширения сопла ракетного двигателя – например, 150 атмосфер и 300-кратное расширение. Тогда для топливных пар/троек удельный импульс составит:

кислород+водород – 4,4 км/с;
кислород+керосин – 3,4 км/с;
АТ+НДМГ – 3,3 км/с;
динитрамид аммония + гидрид водорода + октоген – 3,2 км/с;
перхлорат аммония + алюминий + октоген – 3,1 км/с;
перхлорат аммония + октоген – 2,9 км/с;
нитроцеллюлоза + нитроглицерин – 2,5 км/с.

окислитель – динитрамид аммония, 58%;
горючее – гидрид алюминия, 27%;
пластификатор – нитроизобутилтринитратглицерин, 11,25%;
связующее — полибутадиеннитрильный каучук, 2,25%;
отвердитель – сера, 1,49%;
стабилизатор горения — ультрадисперсный алюминий, 0,01%;
добавки – сажа, лецитин и т.д.

Перспективы развития ракетных топлив

Основными направлениями развития жидких ракетных топлив являются (в порядке очередности реализации):

— использование переохлажденного кислорода с целью увеличения плотности окислителя;
— переход к топливной паре кислород+метан, горючий компонент которой обладает на 15% большей энергетикой и в 6 раз лучшей теплоемкостью, чем керосин с учетом того, что алюминиевые баки при температуре жидкого метана упрочняются;
— добавление озона в состав кислорода на уровне 24% с целью повышения температуры кипения и энергетики окислителя (большая доля озона является взрывоопасной);
— использование тиксотропного (загущенного) топлива, компоненты которого содержат взвеси из пентаборана, пентафторида, металлов или их гидридов.

Переохлажденный кислород уже используется в ракете-носителе Falcon 9, ЖРД на топливной паре кислород+метан разрабатываются в России и США.

Другим перспективным направлением является расширение номенклатуры используемых нитраминных взрывчатых веществ, обладающих большим кислородным балансом по сравнению с октогеном (минус 22%). В первую очередь это гексанитрогексаазаизовюрцитан (Cl-20, кислородный баланс минус 10%) и октанитрокубан (нулевой кислородный баланс), перспективы применения которых зависят от снижения стоимости их производства – в настоящее время Cl-20 на порядок дороже октогена, октонитрокубан на порядок дороже Cl-20.

Кроме совершенствования известных типов компонентов, исследования также ведутся в направлении создания полимерных соединений, молекулы которых состоят исключительно из атомов азота, соединенных между собой одинарными связями. В результате разложения полимерного соединения под действием нагрева азот образует простые молекулы из двух атомов, соединенных тройной связью. Выделяемая при этом энергия двукратно превышает энергию нитраминных ВВ. Впервые азотные соединения с алмазоподобной кристаллической решеткой были получены российскими и немецкими учеными в 2009 году в ходе экспериментов на совместной опытной установке под действием давления в 1 млн. атмосфер и температуры в 1725°C. В настоящее время ведутся работы по достижению метастабильного состояния азотных полимеров при обычных давлении и температуре.

Перспективными кислородсодержащими химическими соединениями являются высшие окислы азота. Известный оксид азота V (плоская молекула которого состоит из двух атомов азота и пяти атомов кислорода) не представляет практической ценности в виде компонента твердого топлива в связи с низкой температурой его плавления (32°C). Исследования в этом направлении ведутся путем поиска метода синтеза оксида азота VI (гексаоксид тетраазота), каркасная молекула которого имеет форму тетраэдра, в вершинах которого расположены четыре атома азота, связанных с шестью атомами кислорода, расположенными на ребрах тетраэдра. Полная замкнутость межатомных связей в молекуле оксида азота VI дает возможность прогнозировать для него повышенную термическую стабильность, сходную с уротропином. Кислородный баланс оксида азота VI (плюс 63%) позволяет существенно повысить удельный вес в составе твердого ракетного топлива таких высокоэнергетических компонентов, как металлы, гидриды металлов, нитрамины и углеводородные полимеры.

Читайте также: