Основные компоненты топлив

Ракетное топливо, вещество или совокупность веществ, представляющих собой источник энергии и рабочего тела для ракетного двигателя (РД). Ракетное топливо должно удовлетворять следующим основным требованиям: иметь высокий удельный импульс (тяга РД при расходе топлива 1 кг/сек;см. Реактивный двигатель), высокую плотность, требуемое агрегатное состояние компонентов в условиях эксплуатации, должно быть стабильным, безопасным в обращении, нетоксичным, совместимым с конструкционными материалами, иметь сырьевые ресурсы и др.

Известны Ракетное топливо химические и нехимические: у первых необходимая для работы РД энергия выделяется в результате химических реакций, а образующиеся при этом газообразные продукты служат рабочим телом, т. е. обеспечивают при расширении в сопле РД преобразование тепловой энергии химических превращений в кинетическую энергию потока, истекающего из сопла РД; у вторых энергия внутриядерных превращений или электрическая энергия (например, в ядерном или электрическом РД) передаётся специальному веществу, являющемуся только рабочим телом или его источником. Удельный импульс нехимических Ракетное топливо зависит от термодинамических свойств и допустимой рабочей температуры рабочего тела, затрат энергии на создание тяги. Принципиально же по удельному импульсу эти Ракетное топливо могут значительно превосходить химические.

Наиболее широко применяют двухкомпонентные жидкие Ракетное топливо, состоящие из окислителя и горючего (см. табл.). Для улучшения характеристик РД в состав таких Ракетное топливо можно вводить различные присадки (как добавки в виде растворов, суспензий или как третий компонент): металлы, например Be и Al, а также В, и их гидриды для повышения удельного импульса, компоненты для получения генераторного газа (если для этого не пригодны основные компоненты), ингибиторы коррозии ( Ингибиторы химические), стабилизаторы, активаторы воспламенения, вещества (депрессаторы), понижающие температуру замерзания, и т.п. Окислитель и горючее, вступающие при контакте в жидком состоянии в химическую реакцию и вызывающие воспламенение смеси, образуют самовоспламеняющиеся топлива. Применение таких топлив упрощает конструкцию РД и позволяет наиболее просто осуществлять многоразовые запуски.

Для вспомогательных жидкостных РД и получения генераторного газа, необходимого для привода турбонасосных агрегатов, можно применять однокомпонентные жидкие топлива (перекись водорода, гидразин), выделяющие энергию при разложении.

Твёрдые Ракетное топливо представляют собой гомогенную смесь компонентов (баллиститные топлива . Баллиститы) илимонолитную гетерогенную композицию, т. н. смесевые топлива. Последние могут состоять из органического горючего-связующего (например, каучука, полиуретана, полиэфирной или эпоксидной смолы), твёрдого окислителя (чаще всего перхлората аммония, а также перхлората калия, нитрата аммония и др.) и добавок различного назначения (например, для повышения энергетических характеристик - порошки Al, Mg, Be, В). Горючее-связующее способствует образованию монолитного топливного блока, определяет комплекс физико-химических свойств топлива и способ формования заряда. Основные специфические требования, предъявляемые к твёрдым Ракетное топливо: равномерность распределения компонентов и, следовательно, постоянство физико-химических и энергетических свойств в блоке, устойчивость и закономерность горения в камере РД, а также комплекс физико-механических свойств, обеспечивающих работоспособность двигателя в условиях перегрузок, переменной температуры, вибраций.

Системы охлаждения

Система охлаждения двигателя— совокупность устройств, обеспечивающих подвод охлаждающей среды к нагретым деталям двигателя и отвод от них в атмосферу лишней теплоты, которая должна обеспечивать наивыгоднейшую степень охлаждения и возможность поддержания в требуемых пределах теплового состояния двигателя при различных режимах и условиях работы.

Воздушное охлаждение

Рубашка цилиндра свободно обдувается воздухом, тем самым забирая большую часть тепла двигателя. Является самой простой, так как не требует сложных деталей и систем управления. Недостаток системы заключается в маленькой теплоёмкости воздуха, что не позволяет равномерно отводить от двигателя большое количество тепла и, соответственно, создавать компактные мощные силовые установки.

Жидкостное охлаждение

Цилиндры двигателя охлаждаются жидкостью, после чего она возвращается в расширительный бачок.

Для ЖРД с насосной подачей топлива в основном применяются два метода охлаждения стенок камеры ЖРД: регенеративное охлаждение и пристенный слой, которые часто используются совместно. Для небольших двигателей с вытеснительной топливной системой часто применяется абляционный метод охлаждения.

Регенеративное охлаждение состоит в том, что в стенке камеры сгорания и верхней, наиболее нагреваемой, части сопла тем или иным способом создается полость (иногда называемая «рубашкой охлаждения»), через которую перед поступлением в смесительную головку проходит один из компонентов топлива (обычно — горючее), охлаждая, таким образом, стенку камеры. Тепло, поглощённое охлаждающим компонентом, возвращается в камеру вместе с самим теплоносителем, что и оправдывает название системы — «регенеративная».

Пристенный слой (пограничный слой, американцы используют также термин «curtain» — занавеска) — это газовый слой в камере сгорания, находящийся в непосредственной близости от стенки камеры, и состоящий, преимущественно, из паров горючего. Для организации такого слоя по периферии смесительной головки устанавливаются только форсунки горючего. Ввиду избытка горючего и недостатка окислителя химическая реакция горения в пристенном слое происходит гораздо менее интенсивно, чем в центральной зоне камеры. В результате температура пристенного слоя оказывается значительно ниже, чем температура в центральной зоне камеры, и он изолирует стенку камеры от непосредственного контакта с наиболее горячими продуктами горения. Иногда, в дополнение к этому, на боковых стенках камеры устанавливаются форсунки, выводящие часть горючего в камеру прямо из рубашки охлаждения, также с целью создания пристенного слоя.

Абляционный метод охлаждения состоит в специальном теплозащитном покрытии стенок камеры и сопла. Такое покрытие обычно бывает многослойным. Внутренние слои состоят из теплоизолирующих материалов, на которые наносится абляционный слой, состоящий из вещества, способного переходить при нагреве из твёрдой фазы непосредственно в газообразную, и при этом поглощать большое количество теплоты в этом фазовом превращении. Абляционный слой постепенно испаряется, обеспечивая тепловую защиту камеры. Этот метод практикуется в небольших ЖРД, с тягой до 10 т. В таких двигателях расход горючего составляет всего лишь несколько килограммов в секунду, и этого оказывается недостаточно, чтобы обеспечить интенсивное регенеративное охлаждение. Абляционное охлаждение применялось в двигательных установках лунного корабля Аполлон.

Способы теплозащиты в АКТ

Теплозащита, средство обеспечения нормального температурного режима в установках и аппаратах, работающих в условиях подвода к поверхности значит. тепловых потоков. Теплозащита широко распространена в авиационной и ракетной технике для защиты летательных и космических аппаратов от аэродинамического нагрева при движении в плотных слоях атмосферы, а также для защиты камер сгорания и сопел воздушно-реактивных и ракетных двигателей.
Существуют активные и пассивные методы теплозащиты В активных методах газообразный или жидкий охладитель подаётся к защищаемой поверхности и берёт на себя основную часть поступающего к поверхности тепла. В зависимости от способа подачи охладителя к защищаемой поверхности различают несколько типов теплозащитыКонвективное (регенеративное) охлаждение - охладитель пропускается через узкий канал («рубашку») вдоль внутренней (по отношению к подходящему тепловому потоку) стороны защищаемой поверхности. Данный способ теплозащиты применяется в стационарных энергетических установках, а также в камерах сгорания и соплах жидкостных ракетных двигателей. Заградительное охлаждение - газообразный охладитель подаётся через щель в охлаждаемой поверхности на внешнюю, «горячую», сторону, как бы загораживая её от воздействия высокотемпературной внешней среды. Заградительный эффект струи охладителя уменьшается по мере её перемешивания с горячим газом. Поэтому для теплозащиты больших поверхностей пользуются системой последовательно расположенных щелей. Этот метод применяется в авиации для теплозащиты камер сгорания и сопел воздушно-реактивных двигателей, причём в качестве охладителя используют забортный воздух. Плёночное охлаждение аналогично заградительному, но через щель защищаемой поверхности подаётся жидкий охладитель, образующий на этой поверхности защитную плёнку. По мере растекания вдоль поверхности жидкая плёнка испаряется и разбрызгивается. Поглощение подводимого к поверхности тепла в данном способе теплозащиты происходит за счёт нагревания и испарения плёнки жидкого охладителя, а также последующего нагрева его паров. Применяется для защиты камер сгорания и сопел жидкостно-реактивных двигателей. Пористое охлаждение - газообразный или жидкий охладитель подаётся через саму охлаждаемую поверхность, для чего последнюю делают пористой или перфорированной. Этот метод применяется при повышенных тепловых потоках к поверхности, когда предыдущие методы теплозащиты оказываются несостоятельными. В пассивных методах теплозащиты воздействие теплового потока воспринимается с помощью специальным образом сконструированной внешней оболочки или с помощью специальных покрытий, наносимых на основную конструкцию. В зависимости от способа «восприятия» теплового потока различается несколько вариантов пассивных методов теплозащиты теплопоглощающих конструкциях (тепловых аккумуляторах) подходящее к поверхности тепло поглощается достаточно толстой оболочкой. Эффективность метода зависит от величины удельной теплоёмкости материала теплопоглощающей конструкции (наиболее эффективен бериллий). «Радиационная» теплозащита основана на применении в качестве внешней оболочки материала, сохраняющего при высоких температурах достаточную механическую прочность. В этом случае почти весь тепловой поток, подходящий к поверхности такого материала, переизлучается в окружающее пространство. Теплоотвод внутрь защищаемой конструкции минимален за счёт размещения между внешней высокотемпературной оболочкой и основной конструкцией слоя из лёгкого теплоизоляционного материала. Данный способ может использоваться лишь для теплозащиты внешних поверхностей аппаратов, когда излучение от нагреваемой поверхности имеет свободный выход во внешнее пространство.

Наибольшее распространение в ракетной технике получила теплозащиты с помощью разрушающихся покрытий. Согласно этому методу защищаемая конструкция покрывается слоем специального материала, часть которого под действием теплового потока может разрушаться в результате процессов плавления, испарения, сублимации и химических реакций. При этом основная часть подводимого тепла расходуется на реализацию теплот различных физико-химических превращений. Дополнительный заградительный эффект имеет место за счёт вдува во внешнюю среду сравнительно холодных газообразных продуктов разрушения теплозащитного материала. Этот вид теплозащиты используется для защиты от аэродинамического нагрева головных частей баллистических ракет и космических аппаратов, входящих с большой скоростью в плотные слои атмосферы, а также для защиты камеры сгорания и сопел ракетных двигателей, особенно двигателей твёрдого топлива, где использование др. методов теплозащиты затруднено. Данный метод теплозащиты обладает повышенной надёжностью по сравнению с активными методами теплозащиты

Большинство используемых на практике разрушающихся теплозащитных покрытий представляют собой довольно сложные композиции, состоящие по крайней мере из двух составных частей - наполнителя и связующего. Задача наполнителя - поглотить в процессе разрушения за счёт физико-химических превращений достаточно большое количество тепла. Задача связующего - обеспечить достаточно высокие механические и теплофизические свойства материала в целом. Пример разрушающихся теплозащитных покрытий - стеклопластики и другие пластмассы на органических и кремнийорганических связующих.