Незаметные сложности ракетной техники. ч. 3: виды жидкого топлива, геометрические размеры, транспорт — Научно-популярно о космосе и астрономии — ЖЖ

Глава V
ЖИДКОЕ ТОПЛИВО ДЛЯ РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ

1. Общие соображения

В первых главах было указано, что при применении жидкого топлива получение большой мощности ракетного двигателя на единицу его веса возможно только в том случае, когда топливо подается в камеру сгорания в жидком виде, а не в испаренном состоянии. Было указано также, что применение ракет на жидком топливе связано главным образом с движением на весьма больших высотах, вследствие чего использование атмосферного воздуха в качестве окислителя было бы весьма затруднительно.

В простейшем случае жидкое топливо представляет собой однородную жидкость, способную выделять при разложении большое количество газообразных продуктов при высокой температуре и содержащую необходимый для горения кислород (унитарное топливо). Такие вещества известны (например нитроглицерин), но все они обладают взрывчатыми свойствами, весьма опасны в обращении и по этим причинам не могут быть использованы в ракетах.

Поэтому в настоящее время можно говорить о применении топлива, состоящего из двух компонентов — горючего и окислителя, хранимых порознь в отдельных баках и смешиваемых в камере сгорания двигателя или перед поступлением в нее. Более сложным является топливо, состоящее из нескольких окислителей и горючих, которые могут храниться раздельно или во взаимно растворенном состоянии.

Топливо для ракетного двигателя должно удовлетворять ряду технических и эксплоатационных требований. Оно должно обладать возможно большей теплотворной способностью, так как последняя оказывает наибольшее влияние на скорость истечения продуктов сгорания. Вместе с тем топливо должно обладать высокой плотностью для возможного уменьшения объема и веса топливных баков, которые являются мертвым грузом.

Температура кипения и теплоемкость жидкого топлива желательны высокие, так как следует иметь в виду использование топлива для охлаждения нагревающихся частей – камеры сгорания и сопла двигателя. Весьма желательно, чтобы температура кипения топлива была выше нормальной, так как обращение со сжиженными газами довольно затруднительно.

Для лучшего смешения составных частей топлива (с целью получения однородной рабочей смеси в камере сгорания) желательно, чтобы эти составные части (компоненты) взаимно растворялись. Каждый компонент в отдельности не должен обладать взрывчатыми и ядовитыми свойствами. Наконец, составные части топлива должны быть технически доступны и недороги.

В настоящее время не существует такого топлива, которое полностью удовлетворяло бы всем перечисленным требованиям. Поэтому из большого ряда известных горючих веществ и окислителей приходится выбирать такие их комбинации, которые для заданных условий работы двигателя способны дать наилучшие результаты.

2. Жидкие окислители

Оставляя в стороне вещества, дающие в топливных смесях незначительный тепловой эффект, а также технически мало доступные, мы можем выделить следующие простые и сложные вещества, которые могут быть использованы в качестве окислителя для любого горючего.

Таблица 4.

Для оценки относительной и абсолютной тепловой ценности этих окислителей в табл. 5 указана теплота сгорания смеси каждого из этих окислителей с одним и тем же горючим, именно с толуолом C₇H₈. При вычислении теплопроизводительности каждой смеси продукты сгорания принимались газообразными; учитывалось также жидкое состояние всех окислителей и принималась в расчет теплота образования окислителя и горючего.

Как видно из табл. 4, первые четыре окислителя при нормальной температуре находятся в жидком состоянии. Из них азотный тетроксид и тетранитрометан дают наибольшую и практически одинаковую теплопроизводительность. Меньший тепловой эффект, не смотря на большее содержание кислорода, дает азотная кислота, что объясняется значительной теплотой ее образования. Промежуточное положение по теплопроизводительности занимает перекись водорода.

Жидкое состояние окислителя при нормальной температуре является весьма ценным качеством; поэтому представляется уместным подробно остановиться на рассмотрении свойств первых четырех окислителей.

Концентрированная азотная кислота является довольно устойчивым соединением с большим удельным весом и сохраняет жидкое состояние в выгодном интервале температур (от –42 до 86°). Она – наиболее доступный и дешевый продукт химической промышленности среди остальных окислителей.

Можно полагать, что для реактивных аппаратов, предназначенных для движения в границах атмосферы, азотная кислота будет серьезным конкурентом прочих окислителен. Для аппаратов же, посылаемых на весьма большие расстояния, придется пользоваться более эффективными окислителями с целью уменьшения запаса топлива.

Перекись водорода H₂O₂ является очень неустойчивой жидкостью, бурно разлагающейся при 100° с выделением тепла. На свету или при нагревании она разлагается на воду и свободный кислород.

Перекись водорода может быть стабилизирована прибавкой незначительного количества определенных химических соединений, например кислоты, мыла, некоторых эфиров и др. Применение стабилизатора позволяет получить концентрированную и в то же время стойкую перекись водорода. С другой стороны, пористые и порошкообразные вещества, многие соли, щелочи, металлы и их соли являются катализаторами, способствующими разложению перекиси водорода; таковы, например, окись свинца, металлы группы платины и др. По этой причине при хранении и работе с перекисью водорода приходится принимать ряд мер для предупреждения возможности ее разложения.

Если ко всему этому прибавить, что чистая перикись водорода является весьма дорогим и технически трудно получаемым продуктом, то станет ясно, что применение ее для ракетного двигателя нецелесообразно.

Тетранитрометан C(NO₂)₄ не горюч, с водой не смешивается и обладает большой летучестью. Большим неудобством для его использования является высокая температура затвердевания. Однако это неудобство легко устраняется с помощью применения к нему присадок, понижающих его температуру плавления.

Если учесть большой удельный вес этого окислителя, высокую температуру кипения и высокую теплопроизводительность смеси с горючим, то его надлежит отнести к числу наивыгоднейших окислителей. Единственная причина того, что тетранитрометан не может быть теперь же широко использован в ракетных двигателях, заключается в том, что отсутствует его массовое производство. Впрочем, положение может измениться, так как тетранитрометан представляется ценным окислителем не только для ракетных аппаратов, но и как составная часть весьма мощных взрывчатых веществ. Смеси тетранитрометана с нефтепродуктами были предложены еще Винандтом.

Азотный тетроксид N₂O₄ при одинаковой с тетранитрометаном теплопроизводительности в топливных смесях, обладает меньшим удельным весом и низкой температурой кипения, затрудняющей его использование в летнее время.

Производство азотного тетроксида вполне освоено современной техникой. В практике зарубежных стран азотный тетроксид нашел себе многостороннее применение как в мирной обстановке, так и для военных целей. Употребляется он для изготовления высококонцентрированной азотной кислоты, в качестве отбеливающего вещества, как составная часть взрывчатых смесей большой силы и т. д. Взрывчатые смеси из чистого азотного тетроксида с каким-либо горючим, например с сероуглеродом, углеводородами, продуктами нитрации ароматических углеводородов, растительными и животными маслами и органическими жирными кислотами, были предложены еще в 1878 г. проф. Тюрпеном и стали известны под общим названием панкластитов. В последние годы империалистической войны азотный тетроксид в смеси с бензином и другими горючими применялся во Франции для снаряжения авиационных бомб.

Уступая по своим эксплоатационным качествам в ракетном двигателе тетранитрометану, азотный тетроксид как более доступный окислитель в настоящее время привлекает к себе большое внимание, поскольку он дает более эффективные топлива, чем азотная кислота. Весьма важно то, что азотный тетроксид смешивается со многими органическими веществами, могущими служить горючим, например, с бензином, толуолом и др., благодаря чему должны улучшиться условия горения топлива в камере горения ракетного двигателя.

Главным недостатком азотного тетроксида является его сравнительно низкая температура кипения ( 22°). Что касается его температуры затвердевания (–9,3°), то она от малейшего загрязнения понижается на несколько десятков градусов. Из других недостатков азотного тетроксида следует отметить разрушительное действие его паров на некоторые металлы, а также его ядовитость. Однако не следует забывать, что условия работы частей ракетного двигателя и обслуживающих его механизмов, например, насосов и трубопроводов, соприкасающихся с топливом только при работе двигателя, вполне допускают использование и такого металла, который обладает невысокой химической стойкостью; это следует из кратковременности работы двигателя, измеряющейся лишь секундами и минутами.

Повышенное требование в отношении химической стойкости предъявляется лишь к материалам, идущим на изготовление баков для хранения и перевозки окислителя. Однако техника располагает металлами, способными противостоять длительное время разъедающему действию азотного тетроксида (например сталь V2A, сталь «Энерж 6» завода «Электросталь», дуралюмин и др).

Переходя теперь к жидкому кислороду и озону, следует отметить, что, как видно из табл. 4 и 5, эти вещества в смеси с горючим дают наиболее теплопроизводительные топлива.

Подробные расчеты показывают, что азотный тетроксид, как более тяжелый окислитель, успешно конкурирует с жидким кислородом и способен в некоторых случаях дать большую дальность полета ракеты того же веса и устройства, чем жидкий кислород с тем же горючим. А тетранитрометан, еще более тяжелый, чем азотный тетроксид, во всех случаях дает больший эффект, чем жидкий кислород.

Примесь озона должна повысить плотность жидкого кислорода, и с этой точки зрения она желательна.

Если учесть еще то, что кислород является сжиженным газом с весьма низкой температурой кипения, с чем связаны большие неудобства при его использовании, а также и то, что при горении в чистом кислороде развиваются весьма большие температуры, действующие разрушительно на материальную часть двигателя, то станет ясным, что жидкому кислороду как окислителю для ракетных двигателей уделяли до сих пор больше внимания, чем он того заслуживает.

Главным недостатком жидкого озона является его неустойчивость как эндотермического соединения. Впрочем, с этой стороны жидкий озон еще недостаточно изучен, и поэтому решению вопроса о целесообразности применения его в ракетном деле следует предпослать ряд исследований с целью выяснения его физико-химических свойств.

Для получения более полного представления о качествах описанных окислителей в табл. 6 приведены некоторые характеризующие их данные в предположении, что горючим взят толуол. ¹

¹Числа последнего столбца таблицы вычислены в предположении, что к. п. д. двигателя равен 0,5.

Из этой таблицы видно, что наименьшую температуру горения при наибольшем газообразовании в топливных смесях дают перекись водорода и азотная кислота. Наиболее тяжелую смесь дают тетранитрометан и азотная кислота, а наиболее теплопроизводительную – кислород и озон.

Таблица 6.

3. Жидкие горючие

Из горючих, дающих при сгорании исключительно газообразные продукты, наибольшего внимания заслуживают углеводороды и чистый водород. Так как теплота горения и объем продуктов сгорания водорода больше, а температура горения меньше, чем у углерода, то и ценность водорода как горючего выше, чем углерода. По этой же причине из углеводородов предпочтение следовало бы отдавать тем, у которых содержание водорода по отношению к углероду наибольшее. Однако распространять это положение на углеводороды различных рядов нельзя.

В самом деле, известно, что наиболее богатыми водородом соединениями являются предельные (жирные) углеводороды, состав которых выражается формулой С_nН_{2n 2}. Легко заметить, что здесь наибольшее относительное содержание водорода имеют начальные представители ряда, содержащие наименьшее количество атомов углерода.

В табл. 7 приведены данные о некоторых предельных углеводородах и, для сравнения, такие же данные о непредельных и ароматических углеводородах, а также о спиртах. В качестве окислителя всюду взят жидкий кислород. В таблице приведена низшая теплопроизводительность, т. е. отвечающая газообразному состоянию продуктов сгорания.

Эта таблица позволяет дать оценку различным углеводородам как горючим. Оказывается, что теплотворная способность углеводородов, имеющих наибольшее относительное содержание водорода, настолько мало отличается от теплотворной способности прочих членов того же ряда, что выгодность применения тех или других из этих соединений должна решаться исключительно по признакам удобства в обращении и дешевизны. Ясно, что предпочтение нужно отдать составным частям нефти, обладающим значительной плотностью и высокой температурой кипения при незначительной вязкости. В качестве примера можно указать на газойль и керосин, разгоняющиеся в интервале 150 – 300° и дающие в смеси с кислородом теплопроизводительность около 2280 кал/кг.

Таблица 7

Значительная отрицательная теплота образования этилена и ацетилена делает эти соединения наиболее теплопроизводительными среди всех известных соединений углерода с водородом. Оба эти соединения могут употребляться в виде сжиженных газов. Другие представители этих рядов мало доступны, менее теплопроизводительны, чем названные два их представителя, и потому менее интересны.

Необходимо иметь в виду, что в таблице указана теплопроизводительность 1 кгсмеси горючего с окислителем-кислородом в отличие от данных, приводимых обычно в справочниках, где теплопроизводительность относят к 1 кггорючего в предположении, что окислитель (кислород) заимствуется из окружающего воздуха.

Ароматические углеводороды (бензол, толуол и др.) по теплотворной способности находятся на одном уровне с погонами нефти и смол, и потому ясно, что с этой точки зрения преимущество оказывается на стороне последних, как более доступных и дешевых.

Спирты, эфиры, кислоты и другие органические соединения, содержащие кислород, имеют меньше шансов на применение их в ракетном двигателе, поскольку наличие в них атомов кислорода и значительная теплота образования свидетельствуют о частичном сгорании, в связи с чем потенциальная энергия этих горючих, естественно, должна быть меньше, чем у рассмотренных выше.

Подводя итог изложенному, мы приходим к выводу, что из всех жидких при обычной температуре органических соединений наиболее полезными и заслуживающими внимания являются тяжелые, но не слишком вязкие погоны нефти, например керосин и газойль. С равным успехом могут применяться соответствующие погоны каменноугольной и буроугольной смол.

Следует отметить также, что в некоторых случаях может быть полезно применение в качестве горючего растворов твердых углеводородов в жидком горючем, например нафталина в толуоле или керосине. Таким путем можно повысить плотность и температуру кипения без изменения теплопроизводительности топлива.

Из сжиженных газообразных углеводоводов заслуживают внимания только этилен и ацетилен. По теплопроизводительности ацетилен в смеси с кислородом на 17% богаче такой же смеси погонов нефти. Однако низкая плотность этих веществ не позволяет получить большого эффекта. Керосин, имеющий меньшую теплопроизводительность, но большую плотность, дает большую дальность полета ракеты, чем указанные сжиженные газы, помещенные в той же ракете.

Легкое топливо требует баков значительного объема, а следовательно, и веса. Система трубопроводов, насосов и камера сгорания также должны иметь большие размеры. В результате мертвый вес ракетного аппарата может принять весьма внушительные, подчас совершенно неприемлемые размеры. В связи с этим тепло-производительность единицы, объема топлива является одним из важнейших факторов, определяющих выбор того или иного топлива.

Жидкий водород обладает рядом чрезвычайно ценных качеств. Так, он имеет наибольшую теплопроизводительность и газообразование по сравнению со всеми прочими известными горючими. Температура, развивающаяся при его горении, меньше, чем у ранее рассмотренных горючих. Однако чрезвычайно малый удельный вес жидкого водорода (0,07) обесценивает все его положительные качества как горючего.

Проведем сравнительную оценку двух топливных смесей: с одной стороны, жидкого водорода с жидким кислородом, с другой – бензина с тем же окислителем. Удельный вес смеси водорода с кислородом равен 0,43, а теплопроизводительность 1 кг этой смеси равна 3030 кал. Для второй смеси имеем соответственно 1,00 и 2280 кал.

Мы видели, что наибольшая скорость ракеты выражается формулой (5):

Если предположить, что для рассматриваемых двух топлив вес р ракеты и объем топливных баков один и тот же, что является вполне реальным, то для одного топлива

и для второго

Если V₁ > V₂, то

и, следовательно, должно быть

При одинаковом к. п. д. двигателя отношение для выбранных нами двух топлив равно 1,15. Если положить еще, что объем топливных баков равен единице, то, очевидно, величины ω₁ и ω₂ будут численно равны удельным весам топлив, т. е. ω₁ = 0,43 и ω₂ = 1. Таким образом последнее неравенство можно привести к виду:

Это неравенство оказывается справедливым при p < 0,001, так что отношение , равное в данном случае , равное в данном случае , должно быть больше 430.

Таким образом ракета с водородным топливом будет иметь большую скорость, чем ракета того же веса с бензином, лишь в том случае, если вес топлива будет превышать остальной вес ракеты более чем в 430 раз.

На практике отношение веса топлива к весу ракеты не превышает нескольких единиц и такого фантастического значения для отношения , какое получено выше, достигнуть, повидимому, не удастся. Отсюда мы видим, что мысль об использовании жидкого водорода в качестве горючего должна быть отброшена.

На этом примере можно убедиться в том исключительном значении, какое имеет теплопроизводительиость единицы объема топлива.

Аналогичными подсчётами можно показать нецелесообразность применения в качестве горючего и других сжиженных газов, например метана, этилена, ацетилена, а также обнаружить невысокие достоинства жидкого кислорода сравнительно с другими окислителями. Это обстоятельство заслуживает особого внимания, так как именно эти перечисленные компоненты топлива занимают центральное место в кругозоре многих авторов.

Итак, мы приходим к заключению, что наибольшей практической ценностью для ракетных аппаратов на жидком топливе на ближайшее будущее обладают: из доступных окислителей – азотная кислота, азотный тетроксид и жидкий кислород, а из горючих – тяжелые, но не слишком вязкие погоны нефти и смол. При наличии заводского производства тетранитрометана в больших количествах этот окислитель, совместно с тяжелыми горючими, даст наиболее эффективное топливо по сравнению со всеми ранее рассмотренными.

4. Способы повышения качества топлива

Мы считаем необходимым остановиться еще на одном из возможных способов получения топлива с большой теплотворной способностью, с одновременным увеличением его удельного веса. Этот способ заключается в использовании тяжелых твердых веществ, выделяющих при сгорании значительное количество теплоты. К таким веществам относится ряд металлов и металлоидов, представленных в табл. 8.

Таблица 8

Применение приведенных в таблице элементов в ракетном двигателе в чистом виде бесполезно, поскольку продукты их сгорания являются нелетучими веществами. Следует итти на компромисс, комбинируя твердое горючее с жидким, например с одним из рассмотренных выше, для того чтобы теплота сгорания твердой примеси передавалась газообразным продуктам сгорания жидкого· горючего и тем способствовала увеличению скорости истечения. Однако здесь неизбежно столкновение с препятствиями чисто технического характера. Для того чтобы теплота сгорания твердых частиц успела передаться газу в камере сгорания и в сопле ракетного двигателя, необходимо, чтобы размеры этих частиц были достаточно малыми. Кроме того, необходимо совершенное смешение в камере сгорания всех компонентов топлива (углеводород, твердая примесь, окислитель). Только в этом случае может происходить полное сгорание примеси без нарушения правильности газового потока.

Введение в камеру сгорания порошкообразных веществ затруднительно и мало полезно вследствие невозможности получить достаточное измельчение даже в самой тонкой пудре и достигнуть образования однородной рабочей смеси в камере сгорания. Лучших результатов можно добиться, употребляя твердое горючее в виде суспензии в жидком углеводороде, но и в этом случае измельченность примеси будет недостаточной: часть введенного в камеру распыленного вещества не успеет сгореть и будет выноситься через сопло, частично же будет отлагаться на внутренних его стенках, т. е. расходоваться непроизводительно.

В последнее время было предложено использование в качестве горючего водородных соединений элементов, указанных в табл. 8, в частности, кремневодородов и бороводородов, а также металлоидо- и металлоорганических соединений тех же элементов. Однако такого рода химические соединения, могущие претендовать на их использование, весьма немногочисленны. При этом общими свойствами для многих из них являются непостоянство состава, способность к самовоспламенению, ядовитость, трудность получения в сколько-нибудь значительных количествах и ряд других свойству препятствующих практическому применению этих соединений.

Ввиду этого было предложено использовать указанные в табл. 8 элементы в виде коллоидных растворов в жидком горючем. Таким путем можно получить необходимую однородность раствора и чрезвычайную измельченность примеси, а вместе с тем еще и заметно повысить удельный вес топлива.

Из рассмотренных элементов наибольшего внимания для использования в коллоидных растворах заслуживают бериллий и алюминий, являющиеся технически доступными продуктами. Интерес представляет также бор, дающий окисел с сравнительно низкой температурой кипения и поэтому летучий в условиях, имеющих место в камере сгорания и сопле двигателя.

Процентное содержание металла или металлоида (примеси), дающего при сгорании твердые продукты, желательно иметь возможно большим с целью повышения тепло производительности и удельного веса смеси, но величина допустимой температуры горения и условия сохранения правильности газового потока в сопле ракетного двигателя (увлекаемости твердых продуктов газообразными), ставят этому известный предел.

Наглядное представление о влиянии примесей на теплопроизводительность топлива дает табл. 9. В качестве примера взято топливо, состоящее из азотной кислоты и керосина, с примесью металлического бериллия. Произведение теплопроизводительности 1 кг топлива на его удельный вес d дает теплопроизводительность единицы объема.

При расчете этой таблицы окислитель брался в количестве, потребном для сжигания основного топлива и твердой примеси. Заметим, что наличие нелетучих примесей уменьшает объем продуктов горения единицы веса топливной смеси. Ввиду этого для правильной оценки влияния твердой примеси на качество топлива необходимо учесть не только повышение теплотворной способности смеси, но и уменьшение объема продуктов ее горения.

Taблица 9.

Приведенный краткий обзор жидких топлив показывает, что выбор топлива для ракетного двигателя довольно обширен. He все из рассмотренных веществ доступны в настоящее время, и для овладения некоторыми из них необходимо провести ряд опытных работ. Однако тот ассортимент топлива, которым уже сейчас можно располагать, позволяет решать вполне актуальные технические задачи.