Материал: Основы проектирования РН Куренков

- гетерогенные (или смесевые), в которых в качестве окислителя используются соли, богатые кислородом, а в качестве горючего - органические материалы типа резины, асфальта и т.п. (например, перхлорат аммония + каучук).

Вкомбинированном топливе один из компонентов находится в твердой фазе, а второй компонент – в жидкой (например, твердое горючее и жидкий окислитель). В частности, в противоспутниковой трехступенчатой ракете, запускаемой с помощью самолета МиГ-31, использовался в качестве горючего каучук, а в качестве окислителя - жидкий кислород.

7.2.Требования, предъявляемые к ракетным топливам

Всвоем историческом развитии основные требования к ракетным топливам претерпели существенные изменения.

Так, при проектировании первых баллистических ракет наряду с требованием высокого удельного импульса выдвигалось требование обеспечения низкой температуры горения. Поэтому на ракетах ФАУ-2

иР-1 в качестве горючего применялся спирт, температура горения которого относительно низка. Причем этот спирт балластировали (разбавляли) водой до 75% концентрации для еще большего снижения температуры горения в камере сгорания. На последующих ракетах Р-2, Р-5 проблема охлаждения двигателя была частично снята и использовался спирт 95% концентрации.

Вдальнейшем, когда проблема охлаждения двигателя была полностью снята, в конструкторском бюро С. П. Королева была спроектирована двухступенчатая баллистическая ракета Р-7 на компонентах топлива керосин + жидкий кислород. Это топливо имело относительно высокий удельный импульс. Однако возникла проблема обеспечения высокой боеготовности ракет с использованием жидкого кислорода. Эта проблема решалась, с одной стороны, увеличением скорости заправки ракеты жидким кислородом (баллистическая ракета Р-9), с другой стороны, - использованием компонентов топлива с высокой стабильностью при длительном хранении. То есть одним из важных требований было требование высокой стабильности топлива. Поэтому появились ракеты с токсичными компонентами топлива.

136

При дальнейшем совершенствовании баллистических ракет требования высокой боеготовности привели к созданию твердотопливных ракет.

Для ракет-носителей, создаваемых в настоящее время, основные требования (также наряду с требованием высокого удельного импульса) - это нетоксичность (минимальное влияние компонентов топлива на экологию окружающей среды) и минимальная стоимость топлива. Однако полностью отказаться от токсичных компонентов топлива в настоящее время не представляется возможным, так как для разгонных блоков верхних ступеней ракет и межпланетных космических комплексов одним из важных требований является требование длительного хранения компонентов топлива. К сожалению, в настоящее время таким требованиям отвечают только токсичные компоненты.

Наибольшее распространение в ракетах-носителях получили двухкомпонентные жидкие топлива. К ним предъявляются следующие требования.

1.Высокие значения удельных тяг (удельных импульсов).

2.Низкая токсичность компонентов топлива как в жидком, так и

вгазообразном состоянии и низкая токсичность продуктов сгорания.

3.Большая плотность компонентов топлива, обеспечивающая размещение требуемой части топлива в меньших объемах топливных баков.

4.Низкая температура замерзания (не выше -40°С) и возможно высокая температура кипения.

5.Малая химическая активность (коррозионность) компонентов топлива по отношению к конструкционным материалам.

6.Высокая физическая и химическая стойкость компонентов топлива при эксплуатационных давлениях и температурах, обеспечивающая их длительное хранение в баках ракетных блоков (хранение жидких криогенных компонентов представляет определенные трудности).

7.Малая гигроскопичность компонентов топлива, то есть склонность их к поглощению влаги из атмосферы, и как следствие, снижение концентрации.

137

8.Безопасность при хранении и эксплуатации компонентов топлива, то есть они не должны бурно испаряться, взрываться и самовоспламеняться в присутствии атмосферного воздуха.

9.Бездефицитность компонентов топлива, низкая стоимость, возможность поставки с отечественных баз.

В баллистических ракетах последних поколений в основном применяются твердотопливные двигатели, обеспечивающие требования по минимальному времени с момента выдачи команды на запуск ракеты до ее старта.

7.3. Характеристики ракетного топлива

Существует довольно много характеристик ракетного топлива. Например, такие характеристики, как скорость горения, теплоемкость, теплопроводность, вязкость и др. используются специалистами по разработке топлива и двигателей. При выборе топлива для РН используются, как правило, следующие характеристики:

-удельный импульс;

-токсичность;

-плотность;

-соотношение компонентов топлива;

-стабильность;

-наличие производственной базы;

-наличие специальной производственной базы;

-стоимость.

Рассмотрим последние характеристики подробнее.

Удельный импульс

Эта характеристика подробно рассматривалась в разделе 2 настоящего учебного пособия. Напомним, что она определяется следующим соотношением:

где R – тяга двигателя; m - расход топлива в единицу времени.

Если одновременно работают несколько ЖРД различного типа или с различными компонентами топлива, то говорят о некоторой осредненной характеристике, например, об отношении суммарной

138

Таблица 7.1. Некоторые характеристики топлива

тяги двигательных установок к суммарному расходу топлива:

где n – количество ступеней (или работающих двигателей) РН.

139

С учетом (7.1) запишем:

Некоторые данные по удельным импульсам для различных компонентов топлива приведены в табл. 7.1.

Состав и основные характеристики некоторых твердых топлив приведены в табл. 7.2.

В этих таблицах приняты следующие сокращения: ДМГ - диметилгидразин; НДМГ - несимметричный диметилгидразин.

Таблица 7.2. Состав и основные характеристики некоторых твердых

топлив

Следует отметить, что разброс значений отдельных характеристик, приведенных в этих и последующих таблицах, объясняется тем, что они заимствованы из различных источников, измерялись при различных условиях (например, удельный импульс существенно зависит от давления в камере сгорания) и относятся к различным годам становления ракетной техники.

В настоящее время ведутся проработки двигателей, работающих на сжиженном метане и жидком кислороде [51], которые имеют повышенный удельный импульс по сравнению с двигателями на жидком кислороде и керосине.

Токсичность

Предельно допустимые концентрации (ПДК) паров некоторых компонентов топлива представлены в табл. 7.3.

140