Ракетные топлива

Аннотация

Учебно-методическое пособие предназначено для помощи специалистам АО «СП «Байтерек» в закреплении знаний по освоению своих функциональных обязанностей.

В работе рассматриваются ракетные топлива, сжатые газы, применя-

ющиеся на ракетных комплексах, их свойства, предлагается выбор ракетного топлива.

Учебно-методическое пособие позволяет закрепить знания по компонентам ракетного топлива и сжатым газам, которые во многом определяют технический облик КРК.

Содержание

Аннотация 2

Содержание 3

Принятые сокращения 4

1 Ракетные топлива 5

2 Сжатые газы и их свойства 13

3 Выбор ракетного топлива 16

4 Практическая часть 17

Контрольные вопросы 21

Литература 22

Принятые сокращения

Г – горючее

ДУ — двигательная установка

ИТО – испытательное технологическое оборудование

КА – космический аппарат

КГЧ – космическая головная часть

КРТ – компонент ракетного топлива

О – окислитель

РАН – российская академия наук

РБ – разгонный блок

РД – ракетный двигатель

РДТТ – ракетный двигатель твердого топлива

РКК – ракетно-космический комплекс

РН – ракета-носитель

РТ – ракетное топливо

СГ – сжатые газы

ТНТ – тринитротолуол

ТТЗ – тактико-техническое задание

Ракетные топлива

Ракетное топливо во многом определяет технический облик, тактико-технические и эксплуатационные характеристики всего РКК, а также формирует систему эксплуатации и систему обеспечения безопасности личного состава.

В двигательных установках современных РН, КА и РБ в качестве источников энергии используется энергия химических реакций компонентов¹ химического ракетного топлива². Химическое ракетное топливо не только в на-стоящее время, но и в ближайшем будущем будет основным видом РТ.

Ракетные топлива состоят из двух принципиально различных компонентов: окислителя (О) и горючего (Г).

Окислитель — компонент РТ, состоящий преимущественно из окисли-тельных элементов и служащий для окисления горючего в РД.

Горючее — компонент РТ, состоящий преимущественно из горючих элементов и вступающий в химическую реакцию окисления (горения) при взаимодействии с окислителем в РД.

Химические ракетные топлива классифицируются по следующим признакам:

а) по агрегатному состоянию: жидкие и твердые .

б) по числу компонентов: однокомпонентные (унитарные) . двухкомна­тные и многокомпонентные .

в) по способности к воспламенению: несамовоспламеняющиеся и самовоспламеняющиеся .

г) по температуре кипения: низкокипящие (криогенные) и высококипящие.

______________________

¹Компонент [лат. сотропепз — составляющий] ракетного топлива (КРТ) — отдельно хранимая и подводимая к РД, отличающаяся по составу, часть ракет ног о топлива.

²Химическое ракетное топливо — ракетное топливо, которое в результате термических реакций окисления, разложения или рекомбинации образует высокотемпературные продукты, создающие реактивную тягу при истечении из РД

Жидкие РТ позволяют получать наибольший удельный импульс, осуществлять регулирование тяги и многократные пуски ракетного двигателя. Жидкие РТ могут быть унитарными (однокомпонентными), но, чаще всего, двухкомпонентными.

Твердые РТ (ТРТ) по физической природе подразделяются на два клас-. оаллиститные (пороха) и смесевые РТ.

Баллистшпные ТРТ представляют собой твердые растворы однородных деств, молекулы которых содержат горючие и окислительные элементы.

Они применяются для вспомогательных ракетных двигателей (системы разде­ления ступеней, тормозные двигательные установки спускаемых аппаратов и др.).

Баллиститные ТРТ воспламеняются от маломощного источника энергии — достаточно искры от пиропатрона, пирозапала и пр.

Смесевые ТРТ представляют собой механические неоднородные смеси окислителя и горючего. В качестве окислителя используются неорганические

соединения, например, перхлорат аммония NH₄CIO₄, в качестве горючего -синтетические полимерные органические соединения, например, полиурета-

новый каучук. Для улучшения энергетических характеристик в качестве горю­чего добавляют порошкообразный металл, например, алюминий, магний и др.

Смесевые ТРТ воспламеняются только от мощного источника энергии (воспламенителя) и устойчиво горят только при наличии давления в камере сгорания (не менее 2-3 МПа).

Наличие на борту РН и КА твердых ракетных топлив предъявляет

повышенные требования по защите РН и КА от статического электричества и от механических ударов самих РДТТ.

Унитарное РТ — однокомпонентное ракетное топливо или однородная смесь (раствор) нескольких химически не взаимодействующих компонентов.

К унитарным РТ относятся перекись водорода, гидразин и др. Реакция разложения унитарных РТ происходит в реакторах при наличии катализатора. Унитарные РТ применяются только во вспомогательных устройствах, напри­мер, в газогенераторах привода турбин ТНА и в ДУ систем ориентации и ста­билизации КА.

Самовоспламеняющееся топливо — двухкомпонентное жидкое РТ, вос­пламеняющееся при обычной температуре в случае контакта окислителя и го­рючего. Период задержки воспламенения составляет не более 3 — 8 мс.

Криогенное РТ [греч. krios -холод . genes — рождающий] — жидкое РТ, хо­тя бы один из компонентов которого является криогенным.

Криогенный компонент РТ- низкокипящий КРТ в виде сжиженного га­за с температурой кипения, лежащей при нормальном давлении в области криогенных температур (ниже 120 К или -153 °С). В качестве криогенных КРТ в настоящее время применяются жидкий кислород и жидкий водород.

Основные физико-химические свойства жидких КРТ приведены в таблице 2. Компоненты РТ обладают рядом свойств, которые требуют соблюдения не только специфических мер и правил безопасности при работе с ними, но и создания особых условий эксплуатации. К этим свойствам относятся:

• токсичность .

• пожарная опасность (пожароопасность) и взрывобезопасность .

• агрессивность .

• температуры кипения и замерзания.

Токсичность КРТ — способность КРТ оказывать вредное действиеначеловека, животных и растения. Показателем токсичности может служить

предельно допустимая концентрация (ПДК)¹ КРТ в воздухе рабочей зоны

По степени токсичности вещества, в том числе и КРТ, делятся на четыре класса

• 1-й класс — чрезвычайно опасные ПДК &lt . 0,0001 мг/л (г/м³) .

• 2-й класс — высоко опасные ПДК = (0,0001-0,001) мг/л (г/м³) .

• 3-й класс — умеренно опасные ПДК = (0,0011-0,01) мг/л (г/м³)

• 4-й класс — малоопасные ПДК &gt . 0,01 мг/л (г/м).

Таблица 2.

Физико-химические свойства КРТ

Название КРТ (условное наименование)	Химическая формула	Плотность, кг/м3	Температура кипнения,0С	Температура замерзания,0С	ПДК, г/м3 (мг/л)
О К И С Л И Т Е Л И
Кислород жидкий(продукт 099)	О2ж	1140	-183	-218	—
АК-27И (меланж)	N2O4+HNO3	1560	60	-54	0,005
Азотный тетроксид(амил)	N2O4	1450	21	-11	0,005
Перекись водорода (продукт 030)	H2O2	1440	150	-0,5	0,001
Г О Р Ю Ч Е Е
Водород жидкий(продукт 100)	H2ж	71	-253	— 259	—
Керосин РГ-1	C10H20(усл.)	1450	140	-80	0,3
Несимметричный диметилгидразин (гептил)	(СH3)2-N2H2	1450	63	-52	0,0001
Гидразин (амидол)	N2H2	1008	113	2	0,0001

Из анализа следует, что горючие на основе гидразина относятся к 2-му классу, а окислители на основе азотной кислоты — к 3-му классу токсичности.

Токсичность КРТ потребовала создания систем контроля утечки паров КРТ в атмосферу, применения индивидуальных средств защиты, систем сбора и нейтрализации как технологических утечек, так и аварийных проливов компонентов.

______________________________

¹Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны — концентрации, которые при ежедневной (кроме выходных дней) работе в течение 8 ч или другой продолжительности, но не более 41 ч в неделю, в те­чение всего рабочего стажа не могут вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемые

современными методами как в процессе работы, так и в отдаленные сроки жизни настоящего и последующего поколе­ний.

Пожарная опасность РТ — это способность РТ к возгоранию (воспла- менению) и горению горючего, как компонента РТ, в смеси с кислородом воздуха, а также в способности окислителя, как компонента РТ, воспламенять и поддерживать горение окружающих горючих материалов. Пожарная опас­ность ракетных горючих определяется горючестью, а ракетных окислителей -окислительной способностью.

Пожарная опасность РТ — это способность РТ к возгоранию (воспла- менению) и горению горючего, как компонента РТ, в смеси с кислородом воздуха, а также в способности окислителя, как компонента РТ, воспламенять и поддерживать горение окружающих горючих материалов. Пожарная опас­ность ракетных горючих определяется горючестью, а

Горючесть — способность вещества, материала, смеси, конструкции к самостоятельному горению².

Необходимыми условиями возникновения пожара является определен­ная концентрация паров горючего в смеси с воздухом и достаточная мощность теплового импульса для поджигания смеси. Концентрация измеряется объемной долей r паров в смеси с воздухом. Минимальная концентрация, при которой уже возможно воспламенение, называется нижним пределом горючести, а максимальная концентрация, при которой еще возможно воспламенение, верхним пределом горючести r_max.

Для эксплуатации наиболее важен нижний предел горючести. Следует отметить, что концентрации выше верхнего предела горючести с течением

времени и на удалении от места пролива горючего понижаются и могут стать

пожароопасными. Исходя из этого, пожарную опасность оценивают нижним

пределом горючести. Косвенной мерой пожарной опасности является температура вспышки t_всп..

___________________________________

²Горением называется процесс окисления или соединения горючего вещества с

окислителем (в том числе и с кислородом воздуха) с интенсивным выделени­ем тепла и света.

Температура вспышки t_всп горючего — минимальная температура, при которой над поверхностью горючего создается концентрация его паров в воздухе, равная нижнему пределу горючести.

По величине температуры вспышки, полученной в открытом тигле, все пожароопасные жидкости подразделяются на горючие жидкости (t_всп &gt .66⁰ С) и легковоспламеняющиеся жидкости (t_всп^{&lt .} 66 С). В свою очередь, легковоспламеняющиеся жидкости подразделяются на три категории:

• особо опасные t_всп &lt . 13 °С .

• постоянно опасные t_всп ⁼ — 13 до 27 °С .

• опасные при повышенной температуре t_всп = (27 — 66) °С.

По величине температуры вспышки, полученной в открытом тигле, все пожароопасные жидкости подразделяются на горючие жидкости (t_всп &gt .66⁰ С) и легковоспламеняющиеся жидкости (t_всп^{&lt .} 66 С). В свою очередь, легковоспламеняющиеся жидкости подразделяются на три категории:

• особо опасные t_всп &lt . 13 °С .

• постоянно опасные t_всп ⁼ — 13 до 27 °С .

• опасные при повышенной температуре t_всп = (27 — 66) °С.

При горении скорость распространения фронта пламени в газовых смеcях не превышает Зм/с.

Определяющее влияние на развитие реакции окисления оказывает процесс смешения паров горючего и воздуха. Если смешение происходит в про­цессе горения, то идет собственно горение, если смешение произошло до воспламенения, то при определенных концентрациях, реакция окисления происходит в форме взрыва.

Характеристики пожарной опасности некоторых горючих приведены в таблице 3.

• Взрыв (взрывное горение) — быстрое превращение вещества, сопровож­дающееся выделением энергии и образованием сжатых газов. Взрыв отличается появлением высоких давлений. Скорость распространения фронта ударной волны взрыва достигает десятков и сотен метров в секунду. Наименьшая концентрация паров горючего в воздухе, при которой образовавшаяся смесь может дать взрыв, называется нижним пределом взрыва, а наибольшая концентрация- верхним пределом взрыва. Чем больше интервал взрывоопасных концентраций, тем взрывоопаснее смесь.

Под агрессивностью РТ понимают коррозионное действие на металлы и их сплавы и разрушающее действие на неметаллические материалы. Агрессивность по отношению к металлам характеризуется линейной скоростью коррозии V_кор. По скорости коррозии в данной среде металлы классифицируются:

• совершенно стойкие V_кор&lt .0,001 мм/год

• понижено стойкие V_кор=(0,1-1,0) мм/год

• мало стойкие V_кор=(1,1-10,0) мм/год

• нестойкие V_кор &gt .10 мм/год

Окислители на основе азотной кислоты являются агрессивными по отношению к большинству конструкционных материалов. Узлы и детали агрега­тов и систем, имеющие контакт с этими окислителями, изготавливаются из со­вершенно стойких и понижено стойких материалов: баки ракет и цистерны — из алюминиевых сплавов и нержавеющей стали . трубопроводы и арматура систем заправки — из нержавеющей стали . уплотнения — из кислотостойкой ре­зины и фторопласта.

Если температуры замерзания и кипения КРТ лежат в диапазоне темпе­ратур окружающей среды, то эти свойства не только определяют особенности конструкции заправочного оборудования, но и формируют облик системы эксплуатации РКК.

Использование в качестве окислителя азотного тетроксида, температуры кипения и замерзания которого равны 21°С и -11°С соответственно, потребо­вало ввести в состав заправочного оборудования нагревательно — холодильных установок. В случае задержки пуска РКН в зимнее время возникает опасность замерзания КРТ в баках ракеты.

Применение криогенных компонентов, например, жидкого кислорода потребовало создания на космодроме завода по его производству, а примене­ние жидкого водорода — создания сложных систем его хранения с дорогостоя-

щей вакуумной теплоизоляцией и техническими системами поддержания глу­бокого вакуума, а также сложной и дорогостоящей системы заправки и приме­нения специальной теплоизоляции топливных баков РН.

Таблица 3.