Химические ракетные топлива
РАКЕТНЫЕ ТОПЛИВА – ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК
жүктеу/скачать 1.91 Mb. Pdf көрінісі
|
| 1 РАКЕТНЫЕ ТОПЛИВА – ХИМИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК
ЭНЕРГИИ И РАБОЧЕГО ТЕЛА РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 1.1 Ракетные двигатели. Ракетные топлива [1,3] В авиации и космонавтике для перемещения летательных аппара- тов в пространстве используют принцип реактивного движения. Дви- жущей силой является реактивная сила, создаваемая при истечении из реактивного двигателя (РД) реактивной струи. Реактивная сила R, дей- ствующая на летательный аппарат, пропорциональна скорости истече- ния w a реактивной струи и секундному расходу массы выбрасывае- мого вещества: (1.1) Для создания реактивной силы в течение определенного времени необходимо иметь запасы выбрасываемой массы и энергии, которые преобразуются в кинетическую энергию реактивной струи. Поэтому двигатель (Дв) включает в себя источник энергии (ИЭ), источник рабо- чего тела (ИРТ) и движитель (Дж) – устройство, создающее тяговые усилия. Совокупность этих элементов называется двигателем: Дв=ИЭ+ИРТ+Дж. (1.2) Химическое ракетное топливо является источником энергии, а га- зообразные продукты его сгорания или разложения создают рабочее тело, которое при истечении из двигателя образует реактивную струю и, таким образом, создает тягу двигателя. Величина химической энергии топлива определяется его энталь- пией–теплосодержанием, которая равна ΔJT=ΣJi, пс – ΣJj, тк. , (1.3) гдеJi, пс – полная энтальпия образования i-ых продуктов сгорания, Jj, тк – полная энтальпия образования j-ыx компонентов топлива. Энтальпия топлива ΔJТ имеет отрицательный знак, поэтому с уменьшением ее значения увеличивается выделение химической энер- гии. Это исходит из того, что химическая энергия вещества, потерян- ная при образовании продуктов сгорания, по закону сохранения энер- гии практически полностью превращается в выделяющееся тепло. Количество теплоты, которая выделяется при полном сгорании единицы г.моль массы топлива, называется теплотворной способно- стью топливаQТ,ккал/кг, при этом QT= –ΔJT. Так как энтальпия ΔJТ обычно дается в ккал/г.моль, то QT ΔJТ где μ – молекулярный вес продуктов сгорания топлива. 9 Переход химической энергии в тепловую может происходить в результате химических реакций двух видов: реакции окисления-восстановления; реакции разложения. Наибольшее выделение тепловой энергии получают при окисли- тельно-восстановительных реакциях типа: H 2 +0,5O 2 →H 2 O, Q=5623 кДж/кг; С 2 +О 2 → СО 2 Q=5298 кДж/кг; 2Al+1,5 O 2 →Al 2 O 3 Q=11520 кДж/кг. При реакциях разложения тепловой энергии выделяется меньше: Н 2 О→ H 2 O + 0,5 O 2 Q=4054 кДж/кг. Все ракетные топлива относятся к взрывчатым высокоэнергети- ческим материалам (ВЭМ). Энергия ВЭМ высвобождается в результате их химических превращений в продукты реакции. В зависимости от характера и условий возбуждения, интенсивности и механизма проте- кания различают следующие формы химических превращений – тер- мическое разложение, горение, детонация. Термическое разложение – это очень медленный процесс разло- жения компонентов ВЭМ, протекающий при умеренных температурах (например, при комнатной температуре) и равномерном прогреве всей массы ВЭМ. Процесс термического разложения подчиняется законам химической кинетики. Горение – физико-химический процесс, осуществляемый при вы- соких температурах прогретого слоя, вступившего в реакцию, при этом образуется фронт горения как зона химических реакций, который от- деляет непрореагировавшее вещество от продуктов реакции и переме- щается по веществу. Распространение горения по заряду ВЭМ обусловлено низкоско- ростными процессами теплопроводности и диффузии. Твердый ВЭМ горит параллельными слоями. Скорость послойного горения ВЭМ меньше скорости распространения в нем звука, не бывает больше 100 м/с и зависит от давления в камере сгорания и температуры заряда. Горение сопровождается свечением и образованием пламени. Под пламенем понимают газовую среду, в которой происходят физико- химические превращения реагентов при высоких температурах (более 1000 С). Весь процесс горения протекает в пламени, при этом образу- ются газообразные продукты сгорания ВЭМ. При горении твердых конденсированных систем часть физико-химических превращений происходит в узком предпламенном слое ВЭМ. Детонация – химическое превращение, распространяющееся по твердому заряду ВЭМ с постоянноймаксимально возможной для этого 10 ВЭМ скоростью, превосходящей скорость звука. Скорость детонации может достигать величины Д=103-104 м/с. Распространение детонации обусловлено движением по заряду ВЭМ ударной волны, которая резко сжимает и разогревает его до такой степени, что химические реакции протекают за микросекунды. Тепло, выделяющееся в зоне химических реакций, полностью компенсирует затраты энергии на разогрев исходного материала и теп- лопотери в окружающую среду. Это обеспечивает саморегулируемость реакций, то есть детонация, начавшись, не затухает, если достигнута максимальная скорость детонации. Перечисленные три формы химических превращений ВЭМ могут переходить одна в другую: Способность ВЭМ как химических соединений к взрывчатым превращениям обусловлена тремя факторами, это – экзотермичность реакций, высокая скорость превращений, газообразование. Экзотермичность – это есть выделение тепла является главным условием взрывчатых превращений, так как вещества, требующие для своего превращения постоянного подвода тепла, не могут быть взрыв- чатыми веществами. Скорость процесса определяет его энергонапряженность, то есть плотность энерговыделения, необходимую для его дальнейшего про- хождения. Интенсивное газообразование необходимо для трансформирова- ния выделяющегося тепла в кинетическую энергию рабочего тела. Объем газообразования зависит от химического состава ВЭМ и усло- вий протекания процессов. Горение и детонация могут иметь промежуточные формы, напри- мер, конвективное горение, взрыв, неполная детонация и т.д. жүктеу/скачать 1.91 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|