Занятие 2: ракетные топлива современных межконтинентальных баллистических ракет — документ
ЗАНЯТИЕ 2: РАКЕТНЫЕ ТОПЛИВА
СОВРЕМЕННЫХ МЕЖКОНТИНЕНТАЛЬНЫХ
БАЛЛИСТИЧЕСКИХ РАКЕТ
1.
Характеристики жидких ракетных топлив.
Окислитель и
горючее
двухкомпонентных топлив содержатся в
отдельных емкостях – баках и при помощи
различных устройств раздельно подаются
в камеру двигателя для сжигания.
Двухкомпонентные жидкие топлива в
настоящее время имеют самое широкое
применение, так как они обеспечивают
самую наибольшую удельную тягу двигателя,
легко позволяют регулировать величину
и направление тяги в полете, а также
выключать двигатель и запускать его
повторно. Недостаток этих топлив –
сложное устройство двигателя с большим
числом деталей и узлов со сложной
системой управления и регулирования.
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 надежный запуск двигателя и
устойчивую его работу.
Жидкие однокомпонентные
топлива представляют собой заранее
приготовленную несамовоспламеняющуюся
смесь окислителя и горючего
в необходимом для горения соотношения
или такое жидкое вещество, которое при
определенных условиях разлагается с
выделением тепла и образованием газов.
Однокомпонентные топлива размещаются
на ракете в одном баке и по одной линии
подаются в камеру сгорания через
форсунки.
Преимуществом
таких топлив перед двухкомпонентными
является упрощение
конструкции двигателя,
поскольку необходима только одна линия
системы подачи. Но широкого применения
эти топлива не в ЖРД не получили, так
как они не могут обеспечить необходимую
удельную тягу. Те однокомпонентные
топлива, которые позволяют получить
достаточную удельную тягу, непригодны
для использования из-за большой склонности
к самопроизвольному взрыву. Однокомпонентные
топлива опасны также для применения
их с целью охлаждения камеры сгорания.
Эти топлива употребляются большей
частью только для вспомогательных
целей: для двигателей малых тяг, которые
применяются с целью управления и
стабилизации летательных аппаратов, а
так же для вращения турбин турбонасосных
агрегатов ЖРД.
В двухкомпонентных топливах для
полного сгорания обоих компонентов на
каждую единицу веса одного из них
требуется строго определенное 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
ЖРДокислитель
подается 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 тепла
и бесполезным уносом его за пределы
сопла, а также улучшаются условия
превращения энергии в сопле.
Для эксплуатации жидкостных
ракет большое значение имеет температура
кипения топлива. Все компоненты топлива
делятся на высококипящие
и низкокипящие.
К высококипящим
относятся окислители и горючие, которые
могут содержаться в жидком состоянии
при обычных температурах эксплуатации
ракет (до 150 град Цельсия) под атмосферным
или повышенным давлением, остальные –
к низкокипящим.
ОКИСЛИТЕЛИ.
В жидкостных ракетах количество
окислителя по весу превышает количество
горючего в среднем в 3-6
раз, а вес топлива в 9 раз больше веса
конструкции двигателя.
Свойства топлива
во многом зависят от
характера окислителя.
Например, по важнейшей характеристике
– по удельной тяге – топливо жидкий
кислород и керосин, отличаются от топлива
азотная кислота и керосин примерно на
15%.
Из низкокипящих окислителей
наибольшее применение в распространенных
двигателях имеет жидкий
кислород. Изучается
возможность использования жидкого
фтора, его соединений с
кислородом и
озона.
Из высококипящих широко применяются
азотная кислота
и ее смеси с четырехокисью
азота. Может применяться
четырехокись азота,
перекись водорода.
Исследуются соединения фтора
с хлором и
тетранитрометаном.
Рассмотрим некоторые виды
окислителей:
ЖИДКИЙ КИСЛОРОД.
Представляет собой подвижную жидкость
голубоватого цвета несколько тяжелее
воды.
Особенности:
Он является одним из наиболее мощных
окислителей, так как его
молекула не содержит атомов, не участвующих
в процессе окисления, как это имеет
место, например в азотной кислоте.
Топлива более эффективные чем с кислородом
могут быть получены только с озоном,
фтором или
фтористымкислородом.
Основное свойство,
определяющее особенности работы с
жидким кислородом,
заключается в его низкой
температуре кипения. Из-за
этого он очень быстро испаряется, что
вызывает его большие потери при хранении
и заправке ракеты. Бак ракеты заправляется
жидким кислородом
непосредственно перед запуском ракеты.
Потери на испарении при заправке
составляют до 50%, а при содержании в
ракете — 3% в час. Жидкий кислород
хранится и транспортируется в специальных
емкостях – танках из металла с обеспечением
хорошей тепловой изоляции.
Жидкий кислородне ядовит.
Кратковременно соприкосновение его в
небольших количествах с открытыми
участками тела человека неопасно:
образующийся газообразный слой не
допускает обмораживания кожи.
Жидкий кислород
– один из наиболее дешевых
окислителей, что объясняется
простотой производства и обилием сырья.
В составе воды он составляет 89% по весу,
а в воздухе – 23%. Обычно получают кислород
из воздуха, путем сжижения и отделения
в жидком виде от азота
и других газов земной атмосферы.
АЗОТНАЯ КИСЛОТА.
Химически чистая 100% концентрации
является бесцветной легкоподвижной
тяжелой жидкостью, сильно дымящей в
воздухе.
Особенности:
100% кислота неустойчива и
легко разлагается на воду,
свободный кислород
и окислы азота.
Мощный окислитель,
поскольку в ней содержится 76% кислорода.
При окислении различных горючих она
разлагается на воду, кислород
и азот. От всех
широко используемых окислителей она
выгодно отличается большим
удельным весом. В следствие
высокой теплоемкости
она может быть использована в качетве
охлаждающего компонента камеры ЖРД.
При обычных условиях эксплуатации
азотная кислота
– жидкость, что является одним из ее
преимуществ. Ракеты
в которых она используется в качестве
окислителя, могут длительное
время хранится заправленными,
в постоянной готовности к пуску. К
недостаткам в эксплуатации относится
значительное повышение
давления в герметически
закрытых емкостях с азотной
кислотой в следствие
процесса ее разложения. Главный недостаток
азотной кислоты
– высокая коррозийная
активность по отношению
к большинству материалов. Агрессивность
азотной кислоты
значительно усложняет обращение с ней.
Хранение и транспортировка ее производится
с использованием специальных емкостей.
Недостатки:
Азотная кислота
обладает ядовитыми
свойствами. Попадание ее на кожу человека
вызывает появление болезненных, долго
н заживающих язв. Вредны для здоровья
также пары азотной кислоты.
Они превосходят по ядовитости угарный
газ в 10 раз.
Стоимость азотной
кислоты невелика. Основной
метод получения азотной
кислоты — окисление аммиакакислородом
воздуха в присутствии платины
и растворение получившихся окислов
азота в воде.
3.
ЧЕТЫРЕХОКИСЬ АЗОТА.
Представляет собой при обычной температуре
желтую жидкость.
Особенности:
С увеличением температуры распадается
на двуокись азота,
окрашенную в красно-бурый цвет.
Является несколько более
эффективным окислителем,
чем азотная кислота.
Топлива на ее основе имеют удельную
тягу примерно на 5% больше, чем
азотнокислотные.
Недостатки:
По отношению к материалам четрехокись
азота значительно
менее агрессивна, чем
азотная кислота,
но не менее ядовита.
Главный недостаток – низкая
температура кипения и
высокая температура
затвердевания, что резко
уменьшает возможность ее использования
в ракетных топливах в чистом виде.
Условия ее применения улучшаются в
смесях с другими окислами
азота.
ПЕРЕКИСЬ ВОДОРОДА.
Бесцветная прозрачная тяжелая жидкость.
Особенности:
Она является нестойким химическим
соединением, легко разлагающимся на
воду и кислород.
Склонность к разложению возрастает с
ростом концентрации. При разложении
выделяется значительное количество
тепла.
Наибольшее распространение
получили ее водные растворы 80% и 90%
концентрации. Химической стойкости
растворов и безопасности работы с ними
можно добиться введением
веществ-стабилизаторов.
К ним относятся фосфорная,
уксусная и
щавелевая кислоты.
Обязательное условие
стабилизации перекиси
водорода – чистота.
Незначительные примеси
и загрязнения резко ускоряют
ее разложение и даже могут
привести к взрыву.
По сравнению с азотной
кислотойперекись
водорода обладает малой
коррозийной активностью,
но некоторые металлы она окисляет.
Недостатки:
Она является пожаро- и взрывоопасной.
Органические вещества при соприкосновении
с ней легко загораются. При температуре
175 град Цельсия она взрывается. Попадание
ее на кожу вызывает тяжелые
ожоги.
В настоящее время перекись
водорода мало применяется, т.к. топлива
на ее основе дают сравнительно невысокую
тягу.
ЖИДКИЙ ФТОР.
Представляет собой тяжелую жидкость
ярко-желтого цвета.
Особенности:
Он обладает лучшими
окислительными свойствами,
чем кислород.
Из всех химических элементов он наиболее
активен,
вступая в соединения почти со всеми
окисляющимися веществами при обычной
комнатной температуре. При этом часто
происходит воспламенение. Даже кислород
окисляется фтором,
сгорая в его атмосфере.
Из-за своей исключительно высокой
химической активности фтор
со всеми горючими образует
самовоспламеняющиеся топлива.
Однако фторные топлива дают более
высокую удельную тягу, чем кислородные,
только при условии, если горюче богато
водородом.
Горючие содержащие много углерода,
образуют со фтором
значительно менее эффективные топлива.
Недостатки:
Фтор очень ядовит.
Он сильно разъедает кожу, глаза,
дыхательные пути. В ракетной технике
он пока используется только в опытных
двигателях.
ГОРЮЧИЕ
В качестве горючих в жидких
топливах применяются в основном вещества,
в которых окисляемыми химическими
элементами являются углерод
и водород. В
природе существует чрезвычайно большое
количество соединений этих элементов.
Большинство из них относятся к органическим
веществам.
В настоящее время в ракетной
технике используется много разнообразных
горючих. Несмотря на то, что горючее
составляет только 15-25% от веса топлива,
его правильный выбор имеет
большое значение. Только
при удачном сочетании окислителя и
горючего могут быть удовлетворены если
не все, то хотя бы важнейшие требования
к топливу. Большинство освоенных ракетных
горючих – высококипящие. Их общий
недостаток –
невысокий удельный вес,
в полтора-два раза меньший, чем у
окислителей.
На практике в качестве ракетных
горючих чаще всего применяются
углеводороды, являющиеся
продуктами переработки нефти (керосины),
амины, гидразин
и его производные, аммиак.
Рассмотрим некоторые виды
горючих:
УГЛЕВОДОРОДЫ
(нефтепродукты). Представляют собой
смеси химических соединений углерода
с водородом.
Энергетические их показатели ниже, чем
у водорода,
но выше, чем у углерода.
Наибольшее применение
имеет керосин.
Особенности:
Керосин представляет собой легкую
жидкость с высокой температурой кипения,
обладающую большой стойкостью против
разложения при нагревании. Керосин
не является веществом строго определенного
состава с однозначной
химической формулой, из-за чего невозможно
точно определить его свойства. В
зависимости от месторождения нефти
состав и свойства керосина могут
меняться.Ракетный керосин имеет в своем
составе повышенное содержание
таких углеводородов,
которые дают меньше отложений
при охлаждении двигателя.
Недостатки:
Керосин не воспламеняется при
соприкосновении с обычными окислителями,
поэтому необходим специальный
источник зажигания.
Керосин широко применяется в
ракетных топливах с жидким кислородом,
азотнокислотными
окислителями и перекисью
водорода.
АМИНЫ –
соединения, которые получаются, если
в молекуле аммиака
один, два или три атома водорода
заменить углеводородными
группами. В ракетной
технике нашли применение: триэтиламин,
анилин,
ксилидин и
др.
Особенность:
аминов – бурное взаимодействие
с азотной кислотой
и четырехокисью азота,
приводящее к самовоспламенению. По
эффективности горючие на основе аминов
близки к керосину. Способностьаминоввызывать
коррозию металлов невелика.
Они хранятся и транспортируются в
емкостях из обычных черных металлов.
Недостатки:аминов –
значительно большая
стоимость по сравнению с
керосином и ядовитость.
Ядовитость проявляется как при вдыхании
паров, так и при попадании на кожу.
Для улучшения физико-химических
свойств, амины
используются в качестве горючих в смеси
с другими веществами, в том числе и с
другими аминами.
Горючие на основе аминов
нашли применение а самовоспламеняющихся
топливах с азотной кислотой,четырехокисью азота
и их смесями.
Гидразин
– соединение водорода
с азотом. В
горении участвуют только атомы водорода,
а азот
выделяется в свободном виде и идет на
увеличение газообразования.
Бесцветная прозрачная жидкость
с аммиачным запахом. Как жидкость он
существует примерно в тех же температурах,
что и вода.
Особенности:Является
эффективным горючим. Этому
способствует то, что его молекула
образуется с поглощением тепла, которое
при горении выделяется дополнительно
к теплоте окисления. Другое его
положительное свойство – большой
удельный вес.
К недостаткам гидразина
относится высокая температура
затвердевания, что
представляет большое неудобство в
эксплуатации. Его пары при нагревании
и ударах взрываются. При воздействии
кислорода
воздуха он окисляется.
Недостатки:
Гидразинкоррозийно
активен. Стойкими по
отношению к нему являются алюминий
и его сплавы, нержавеющие стали,
фторопласт,
полиэтилен.
Гидразинядовит,
раздражающе действует на слизистую
оболочку глаз и может вызывать временную
слепоту.
Как горючее гидразин
обычно рассматривается в
смесях с другими веществами.
Производные гидразина
получаются путем замещения атомов
водородауглеводородными группами.
В ЖРД используются несимметричный
диметилгидразин.
4.НЕСИММЕТРИЧНЫЙ
ДИМЕТИЛГИДРАЗИН
представляет собой бесцветную прозрачную
жидкость с резким запахом.
Особенности:
по сравнению с гидразином существенно
удобнее в эксплуатации, так как остается
жидкостью в большем интервале температур.
Обладает хорошей стойкостью при
нагревании. В отличие от гидразина его
пары не взрываются от внешнего воздействия.
Главная особенность – высокая химическая
активность. Он легко окисляется кислородом
воздуха, а с углекислой кислотой образует
соли, выпадающие в твердый осадок.
Недостатки:
по сравнению с гидразином обладает
худшей эффективностью как горючее,
поскольку в его молекуле кроме атомов
водорода содержится менее эффективный
углерод. Самовоспламеняется на воздухе
при температуре 250 град Цельсия. Смеси
его паров с воздухом легко врываются.
Ядовит.
НЕКОТОРЫЕРАСПРОСТРАНЕННЫЕ
ЖИДКИЕ ТОПЛИВА
1. Топлива на
основе жидкого кислорода
обеспечивают наибольшую
удельную тягу из всех
применяемых ракетных топлив сегодняшнего
дня. Их основной недостаток – низкая
температура кипения
окислителя. Это затрудняет использование
их в боевых ракетах, которые должны
длительное время находиться в готовности
к пуску.
С жидким кислородом могут
применяться такие горючие как керосин,
несимметричный диметилгидразин,
аммиак. Особое
место занимает топливо
кислород водород.
Оно обеспечивает удельную тягу на 30-40%
большую, чем другие распространенные
топлива. Как уже говорилось, это топливо
более всего подходит для использования
в больших ракетах.
Топлива на основе азотной
кислоты в смеси 20-30%
окислов азота
значительно уступаюткислородным
топливам по удельной тяге,
но обладают преимуществом
по удельному весу. Кроме
того, эти топлива являются высококипящимидолгохранимыми
веществами, что позволяет держать
боевые ракеты в полностью снаряженном
и заправленном виде длительное время.
Азотнокислотные окислители
обладают хорошими охлаждающими
свойствами. Но вследствие
сравнительно невысоких температур в
камере двигателя охлаждение двигателей
средних и больших тяг может быть
обеспечено горючим, хотя в составе
топлива его содержится меньше, чем
окислителя.
Такие горючие как смесь аминов,
НДМГ и некоторые
другие вещества образуют
с азотнокислотными окислителями
самовоспламеняющиеся
топлива. Керосин и другие
углеводородытребуют принудительного
зажигания.
Топлива на основе четырехокиси
азота дают несколько
большую удельную тягу,
чем азотнокислотные, но имеют пониженный
удельный вес. Несмотря на
такой эксплуатационный недостаток,
как высокая температура
затвердевания окислителя,
они находят применение в ракетах
дальнего действия. Оно заменило
кислородное
топливо, т.к. дает возможность хранить
ракету в заправленном состоянии, готовой
к запуску.
Преимуществом топлива на основе
четырехокиси азота является также
самовоспламеняемость.
2. Характеристики
твёрдых ракетных топлив.
По внешнему виду
все заряды твердого топлива представляют
собой плотные твердые тела
главным образом темных цветов. Ракетные
пороха обычно имеют цвет темно-коричневый
цвет и внешне похожи на роговидное
вещество. Если они включают добавки в
виде, например, сажи, то цвет их бывает
черным. Смесевые топлива бывают черного
и черно-серого цвета в зависимости от
цвета горючего и добавок. Они обычно
подобны сильно завулконизированой
резине, но менее эластичны и более
хрупки.
Твердые топлива практически
безопасны как
по воздействию на организм человека,
так и по отношению к различным
конструкционным материалам. При хранении
в обычных условиях они не
выделяют агрессивных веществ.
Ракетные пороха из-за летучих свойств
растворителя – нитроглицерина –
способны вызывать кратковременные не
очень сильные головные боли.
РАКЕТНЫЕ ПОРОХА
Ракетные пороха являются сложными
многосоставными системами, в которых
каждому веществу отведена своя роль с
целью получения заданных свойств того
или иного вида пороха. Основная составная
часть порохов – нитраты
целлюлозы. При сгорании
пороха они выделяют наибольшую часть
тепловой энергии. Они же определяют и
физико-химические свойства пороха.
Рассмотрим некоторые составные части
порохов:
НИТРАТЫ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ,
или нитроклетчатка, получаются обработкой
целлюлозы смесью азотной и серной
кислот. Такая обработка называется
нитрацией.
Исходный материал – целлюлоза
(клетчатка) – широко распространенное
в природе вещество. Из нее почти целиком
состоят лен, пенька, хлопок и др.
Нитраты целлюлозы представляют
собой рыхлую массу. Они легко
воспламеняются даже от
слабой искры. Горение происходит за
счет кислорода, содержащегося в
нитрогруппах, подвода
кислорода извне не требуется.
Однако непосредственно использование
нитроцеллюлозы
в качестве ракетного топлива исключается,
так как из нее невозможно изготовить
заряд, горящий по строго определенному
закону. Даже после сильного прессования
она имеет множество пор. Горение ее
происходит не только снаружи но и внутри,
т.к. Горячий газ проникает по порам
внутрь. Вследствие этого может
произойти взрыв, способный
разрушить двигатель. Для предотвращения
этого производят пластификациюнитроцеллюлозы,
т.е. приготавливают твердый раствор
однородного состава, без пор.
РАСТВОРИТЕЛИ-ПЛАСТИФИКАТОРЫнитроцеллюлозы
– нитроглицерин,
нитродигликоль
и некоторые другие вещества. Они являются
второй основной частью порохов как по
весу, так и по запасу энергии. Их часто
называют труднолетучими
растворителями, так как
они не удаляются из раствора в процессе
производства, а полностью остаются в
составе пороха.
НИТРОГЛИЦЕРИН
– вещество, образующееся при нитрации
известного в быту трехатомного пропилового
спирта – глицерина
– смесью азотной
и серной кислот,
как и при производстве нитроцеллюлозы.
Представляет собой бесцветную
маслообразную жидкость.
Нитроглицерин
– мощное взрывчатое
вещество. Он легко взрывается
при ударе или трении. Горение его
происходит за счет кислорода, содержащегося
в нитрогруппах. При этом кислорода в
нем имеется в избытке, поэтому часть
кислорода идет на дополнительное
окисление нитроцеллюлозы, что приводит
к общему увеличению запаса энергии
твердого топлива. С увеличением содержания
нитроглицерина в порохах растут
их энергетические показатели,
но одновременно и взрывоопасность,
чувствительность к удару и т.д. Ракетные
пороха с большим содержанием нитроглицерина
способны обеспечить высокую удельную
тягу.
Для пластификации нитроцеллюлозы
с целью облегчения технологии производства,
увеличения сроков и допустимой температуры
хранения зарядов применяют и другие
растворители.
НИТРОДИГЛИКОЛЬ,
так же как и нитроглицерин,
представляет собой взрывчатое вещество.
Однако он менее чувствителен
к механическим воздействиям.
Получается в результате нитрации
диэтиленгликоля.
Запас кислорода
в молекуле нитродигликоля
меньше, чем у нитроглицерина,
поэтому применение его в качестве
растворителя ухудшает
энергетические показатели
порохов.
Кроме нитроглицерина
и нитродигликоля
иногда применяется такой растворитель
нитроцеллюлозы,
как нитрогуанидин.
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПЛАСТИФИКАТОРЫ
и вещества, регулирующие энергетические
свойства топлива, хорошо совмещаются
с основными растворителями. Они не
содержат совсем, или содержат очень
мало активного кислорода
и потому вводятся в состав порохов в
небольших количествах, чтобы не снижать
энергетические характеристики слишком
сильно. К ним относятся такие вещества,
как ДИНИТРОЛУОЛ,
ДИБУТИЛФТАЛАТ,
ДИЭТИЛФТАЛАТ.
СТАБИЛИЗАТОРЫ
химической стойкости вводятся в состав
порохов для предотвращения их быстрого
химического разложения. При длительном
хранении порохов происходит разложение
нитроцеллюлозы.
При этом образуются окислы
азота, которые ускоряютс
ее дальнейшее разложение и делают ее
взрывоопасной. Стабилизаторы
замедляют разложение:
соединяясь с выделяющимися окислами
азота, они связывают их,
превращают в химически нейтральные
вещества.
ВЕЩЕСТВА УЛУЧШАЮЩИЕ ГОРЕНИЕПОРОХОВ,
обеспечивают ускорение,
замедление
или стабилизацию
процесса горения в камере РДТТ. К ним
относится большое число солей или
окислов различных металлов (олова,
марганца,
цинка, хрома,
свинца, титана,
калия, бария
и т.д.)
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ДОБАВКИ,
или вещества, облегчающие процесс
изготовления пороха, вводятся при
наиболее ответственных операциях для
снижения трения и нагрузок
на машины. Они играют роль
смазок как внутри топливной массы, так
и между массой и инструментом. Для этого
применяются мел, уменьшающий внутреннее
трение, вазелин и трансформаторное
масло, снижающие давление
при прессовании, графит,
стеаратсвинца
и т.п. Вводятся они в малом количестве.
Производство ракетных порохов
ведется по сложной технологической
схеме с применением высоких
температур и давления. В
задачу производства входит изготовление
твердых однородных пороховых зарядов,
отвечающих ряду жестких требований, из
большого числа химических веществ,
разнородных по свойствам и физическому
состоянию.
СМЕСЕВЫЕ РАКЕТНЫЕ ТОПЛИВА
Смесевые топлива по сравнению
с порохами, по составу значительно
проще. Они включают в себя два-три, редко
четыре компонента. Рассмотри некоторые
из них:
ОКИСЛИТЕЛИСМЕСЕВЫХ ТОПЛИВ,
как правило соли неорганических кислот
– азотной и
хлорной. Их
особенность – большой
процент кислорода в молекуле.
Все они по весу примерно наполовину
состоят из кислорода. В обычных условиях
они обладают химической стойкостью,
но при сильном нагревании способны
распадаться с выделение свободного
кислорода. Все твердые
окислители имеют в составе своем, помимо
кислорода,
химические элементы, способные к
окислению. Поэтому при их разложении
часть кислорода
окажется связанной с этими элементами
и свободного кислорода
выделится значительно меньше, чем
имеется в молекуле.
Самым распространенным окислителем
твердых топлив является ПЕРХЛОРАТАММОНИЯ.
Он представляет собой белый кристаллический
порошок. Разлагается при нагревании
выше 150 град Цельсия. На воздухе
незначительно увлажняется. Чувствителен
к удару и трению, особенно при наличии
органических примесей. Может гореть
без горючего и взрываться. При горении
не выделяет твердых веществ, но в
продуктах горения содержится агрессивный
и довольно ядовитый газ – хлористый
водород, который при наличии влаги
образует с ней соляную кислоту.
Преимущества перхлората аммония состоят
в том, что он обладает невысокой
температурой разложения, разлагается
только на газообразные продукты с
небольшим молекулярным весом, обладает
малой гигроскопичностью, доступен,
дешев.
Другим окислителем является
ПЕРХЛОРАТ КАЛИЯ.
Разлагается при температуре 440 град
Цельсия. На воздухе не увлажняется
(негигроскопичен). Не горит и не взрывается.
Весь кислород, содержащийся в молекуле
является активным. При горении в составе
топлива выделяется твердый продукт –
хлористый калий, который создает плотное
дымовое облако. Наличие хлористого
калие в продуктах горения резко ухудшает
их свойства, т.е. условия перехода
тепловой энергии в кинетическую в сопле
ракетного двигателя.
Еще один окислитель – НИТРАТ
АММОНИЯ (аммиачная
селитра). Также имеет вид белого
кристаллического порошка. Разлагается
при температуре 243 град Цельсия. Способен
гореть и взрываться. При горении
выделяется большое количество только
газообразных продуктов. Смеси с
органическими веществами способны
самовозгораться, поэтому хранение
ракетных топлив на его основе представляет
серьезную проблему. Имеет ядовитые
свойства.
Приведенными примерами не
исчерпывается перечень возможных
окислителей ТРТ. Могут использоваться
например перхлораты лития,
нитрозила и
нитрония,
динитратгидразина и
др.
ГОРЮЧЕ-СВЯЗУЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА
смесевых топлив – это
высокомолекулярные
органические соединения или полимеры.
Полимерными соединениями
называют такие вещества, молекулы
которых состоят из очень большого числа
элементарных звеньев одинаковой
структуры. Элементарные звенья
соединяются между собой в длинные цепи
линейного или разветвленного строения.
Свойства полимера зависят от химического
строения элементарых звеньев, их
количества и взаимного расположения.
Многие твердые полимеры получают
из жидких соединений – мономеров,
молекулы которых состоят из сравнительно
небольшого числа атомов. Мономеры могут
самопроизвольно соединяться в длинные
цепи – полимеры и переходить в твердое
состояние. 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 твердую 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 формы.
Для применения в качестве
горюче-связующих удовлетворительными
свойствами обладают синтетические
соединения типа каучуков,
смол и пластмасс,
а также тяжелые 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 азот,
кислород, сера
или хлор.
Основные недостатки
полимерных смол и пластмасс как
горюче-связующих веществ – малая
эластичность и повышеная
хрупкость при низких температурах.
От этих недостатков в основном свободны
синтетические каучуки.
ПОРОШКООБРАЗНЫЕ МЕТАЛЛЫмогут вводиться в состав
смесевых топлив в качестве дополнительного
горючего компонента. Для этого пригодны
чистые бериллий,
литий, алюминий,
магний, а так
же некоторые их соединения. В результате
введения 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
металлического горючего, тем выше будет
температура продуктов горения в камере.
Почти все современные смесевые топлива
имеют в своем составе металлическое
горючее в различном количестве.
Наиболее эффективным металлическим
горючим является БЕРИЛЛИЙ.
Однако перспективы применения бериллия
очень ограничены, потому что его запасы
в земной коре незначительны,
а продукты сгорания крайне ядовиты.
Следующий по эффективности металл –
ЛИТИЙ. Его
применение тормозится очень
низкой температурой плавления
( 186 град Цельсия) и самовоспламенением
на воздухе в расплавленном
состоянии. Самым широко распространенным
и наиболее дешевым металлическим горючим
является АЛЮМИНИЙ.
Применение тонко измельченного порошка
алюминия в смесевых топливах не только
повышает удельную тягу
двигателей, но и улучшает
надежность их запуска
и увеличивает стабильность горения
топлива. МАГНИЙ
применяется редко, так как он в топливах
дает малую удельную тягу.
Кроме чистых металлов изучается
применение в качестве дополнительных
горючих их соединений с водородом
(гидридов).
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.
Изготовление 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.