Как сгорает твердое топливо ракет

Беседы о ракетных двигателях

ТВЁРДОЕ РАКЕТНОЕ ТОПЛИВО — химическое ракетное топливо, представляющее собой твёрдую композицию из окислителя и горючего, размещаемую в камере сгорания РДТТ в виде заряда и способную устойчиво и закономерно гореть. Различают два основных класса твёрдых ракетных топлив — коллоидные твёрдые ракетные топлива и смесевые твёрдые ракетные топлива. Для улучшения различных характеристик твёрдых топлив в них вводят стабилизаторы, пластификаторы, флегматизаторы, отвердители, катализаторы горения и другие присадки. Основными специфическими требованиями, предъявляемыми к твёрдым ракетным топливам, являются: равномерность распределения компонентов и, следовательно, постоянство свойств топлива в заряде; стабильность компонентов и отсутствие их взаимодействия между собой и с материалами конструкции РДТТ; способность легко воспламеняться, гореть в камере ракетного двигателя устойчиво и с заданной скоростью горения, исключая возможность перехода горения в детонацию; определённый комплекс физико-механических свойств, обеспечивающих после длительного хранения работоспособность заряда в условиях перегрузок, переменной температуры, вибраций и т. п. Из-за химической несовместимости не всегда удаётся использовать в составе твёрдых ракетных топлив энергетически наиболее эффективные компоненты. Кислородный баланс твёрдых ракетных топлив всегда отрицателен, т.е. окислительных элементов в них всегда меньше, чем необходимо для полного сгорания. По удельному импульсу твёрдые ракетные топлива уступают жидким топливам, по плотности обычно превосходят последние. Обладают рядом эксплуатационных преимуществ. Применяются в реактивной артиллерии, в ракетах различного назначения, а также на космических аппаратах.

Влияние продуктов сгорания жидкого и твердого ракетного топлива на окружающую среду Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Васянина А.Ю., Тонких А.А., Антоновский Т.Н., Швецова Д.С., Чижевская М.В.

Рассмотрены экологические результаты и анализ последствий запусков ракет с жидкостными и твердотопливными ракетными двигателями.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Влияние продуктов сгорания жидкого и твердого ракетного топлива на окружающую среду»

А. Ю. Васянина, А. А. Тонких, Т. Н. Антоновский, Д. С. Швецова Научные руководители — М. В. Чижевская, В. П. Назаров Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ВЛИЯНИЕ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ЖИДКОГО И ТВЕРДОГО РАКЕТНОГО ТОПЛИВА

НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

При зарождении основ теоретической космонавтики экологические аспекты играли важную роль. Тесное взаимодействие биосферы Земли с космической средой дает основание утверждать, что происходящие во Вселенной процессы оказывают воздействие на нашу планету [1-3].

Нельзя не признать, что сегодня имеет место отрицательное воздействие ракетно-космической техники (РКТ) на окружающую среду (разрушение озонового слоя, засорение атмосферы окислами металлов, углерода, азота, а ближнего космоса — частями отработанных космических аппаратов).

Производство, испытания и эксплуатация ракетно-космической техники имеет свои специфические факторы негативного влияния на окружающую среду. Ниже приведены наиболее весомые факторы негативного влияния эксплуатации ракетно-космической техники (РКТ):

— загрязнение атмосферного воздуха и поверхностных водоемов в процессе изготовления элементов ракетно-космической техники и продуктами выбросов ракетных двигателей;

— риск возникновения аварийных ситуаций во время изготовления и хранения ракетного топлива (возможны утечки и испарение токсичных компонентов ракетного топлива (КРТ), их горение и взрывы);

— риск возникновения аварийных ситуаций во время наземных испытаний ракетных двигателей;

— локальное загрязнение атмосферы во время запуска ракет-носителей;

— негативное влияние продуктов реакций в ходе сгорания топлива на состояние озонового слоя Земли;

— отчуждение территорий и загрязнение плодородного слоя почвы отпадающими частями ракет, а также продуктами реакций.

— отделение фрагмента конструкции, либо отделяющейся части ракет-носителей или космического аппарата (КА). «Космический мусор».

В данной работе проанализированы результаты запусков ракет с жидкостными и твердотопливными двигателями, а также факторы ослабления или усиления их воздействий на окружающую природную среду.

При изучении и анализе выявили, что эксплуатация ракетно-космической техники оказывает значительное антропогенное влияние на приземную атмо-

сферу, особенно в районах космодромов во время запуска и в начале полета больших ракет носителей, имеющих на борту сотни тонн топлива. Наибольшую опасность представляют случаи, сопровождающиеся взрывами, пожарами и мощными токсичными выбросами.

Выбросы топлив сгорания и токсичных элементов могут вызывать выпадение кислотных дождей, повышение содержания в воздухе взвешенных веществ, изменение погодных условий на прилежащих территориях.

Основным вредным фактором, влияющим на состояние окружающей среды при пусках ракет-носителей, является большой объем выбросов продуктов сгорания при старте в приземном слое атмосферы (тропосферы). К нежелательным локальным последствиям в районе старта ракет-носителей могут также привести выбросы хлористого водорода и окислов алюминия, содержащиеся в продуктах сгорания некоторых носителей, в частности к таковым относится ракета-носитель «Шаттл».

Проведен анализ по данным выбросов продуктов сгорания в атмосферу при запуске ракет. Мы выяснили, что в отличие от зарубежных ракет-носителей, базирующихся в основном на РДТТ, российские ракеты, использующие ЖРД не выделяют N2, HCl, AI2O3.

Также при исследовании жидких и твердых ракетных топлив мы выявили следующие особенности.

При падениях частей ракетной техники происходит механическое загрязнение твердыми фрагментами, что приводит к перенасыщению почвы соединениями алюминия, наличие которых в почве, даже в незначительном количестве, резко снижает урожайность сельскохозяйственных культур.

Обратимся к анализу влияния продуктов работы ракетных двигателей на нижнюю часть околоземного космического пространства — стратомезосферу. Среда здесь имеет сложный химический состав, одним из компонентов которого является озон, оберегающий нас от воздействия ультрафиолетового излучения. В результате работы ракетных двигателей образуются практически все те вещества, которые обусловливают гибель озона в естественных условиях.

Основную массу продуктов сгорания РДТТ составляют соляная (хлористоводородная) кислота и окись алюминия. Соляная кислота, поступая в почву,

Актуальные проблемы авиации и космонавтики — 2014. Технические науки

повышает ее кислотность, что вызывает ряд изменений, как химических свойств самих почв, так и состояния растительности. Кроме того, есть сведения о неполном сгорании перхлората аммония — вещества второго класса опасности.

В заключение можно сделать вывод о том, что твердые ракетные топлива более опасны для окружающей среды, чем жидкие. И лучшим топливом, с экологической точки зрения, является соединение водорода в качестве горючего и кислорода в качестве окислителя, так как эти вещества не токсичны и не дают никаких вредных продуктов реакций сгорания.

В целом, объекты современной перспективной ракетно-космической техники являются потенциально опасными для экологии. Таким образом, необходимо искать новые пути создания более безопасных компонентов топлива, не жертвуя при этом энергетическими характеристиками, что важно с конструкторской точки зрения, и опираясь на существующие проблемы

окружающей среды. Также, учитывая ряды особенностей различных видов топлива, следует развиваться в направлении наиболее благоприятного для экологии -соединения водорода и кислорода.

1. Федоров Л. А., Кричевский С. В. Химическая безопасность и социально-экологические последствия технической деятельности. М. : МСоЭС, 2005. 167 с.

2. Дорофеев А. А. Основы теории тепловых ракетных двигателей (Общая теория ракетных двигателей). МГТУ им. Н. Э. Баумана. М., 1999.

3. Ушаков В. Г., Шпигун О. Н., Старыгин О. И. Особенности химических превращений НДМГ и его поведение в объектах окружающей среды // Ползу-новский вестник. 2004. № 4.

П. С. Гапенко, А. О. Иринина Научные руководители — В. А. Миронова, М. В. Чижевская Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

МАГНИТНАЯ ОБРАБОТКА ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ ВОД

Работа освещает вопросы, касающиеся магнитной обработки водных систем. Проведены исследования, определяющие влияние омагничивания на процесс коагуляции коллоидных растворов, содержащую золь трехвалентного железа. Предложено практическое применение магнитной обработки железосодержащих вод.

Магнитная обработка воды (МО) применялась уже в первые десятилетия двадцатого века для предотвращения образования накипи на нагревательных элементах паровых машин, для воздействия на образование кристаллов в пересыщенных растворах. Первые опубликованные сообщения и патенты относятся именно к этому периоду.

За прошедшее время опубликовано большое количество статей, обзоров, монографий, в которых акцент делается, прежде всего, на практическую полезность применения МО, состоялись многочисленные конференции и совещания по практике применения МО в широком круге промышленных производств [1; 2].

Целью нашей работы стало определение влияния магнитной обработки на воду содержащую золь трехвалентного железо.

Объектом для исследования мы выбрали дисперсные системы, содержащие золь трехвалентного железа, который готовили по стандартной методике.

Модельные растворы (1, 2) объемом 25 мл пропускали через зазор постоянного магнита напряженностью 8000 эрстед (индукция 0,8 Тл).

Омагниченные коллоидные растворы фильтровали, используя плотные фильтры (синяя лента). Параллельно в таких же условиях проводили фильтрацию неомагниченных проб.

Результаты исследования показали, что время фильтрования 1-й пробы с МО и без нее отличаются.

Причем эта разница была зафиксирована во время проведения эксперимента в разные дни. В омагничен-ных коллоидных растворах фильтрование происходит медленнее и соответственно скорость этого процесса замедляется (табл. 1).

Во второй пробе (табл. 2) разница между этими характеристиками (время и скорость) незначительная.

Анализ полученных данных позволяет сделать следующие выводы:

1. МО в различной степени влияет на процесс коагуляции дисперсной коллоидной системы, содержащей золь трехвалентного железа, в зависимости от размера золя.

Сравнение параметров (1) модельного раствора

Простая проба Омагниченная проба

Время Скорость Время Скорость

(мин) (мл/мин) (мин) (мл/мин)

Виды ракетного топлива: современные вещества и перспективные разработки

Оторваться от Земли, набрать скорость, достаточную, чтобы выйти на орбиту – это требует колоссальных затрат топлива. Например, сухая масса ракеты «Союз» – это масса без учета топлива, чуть больше тридцати трех с половиной тонн. Но на старте общая масса ракеты – почти 308 тонн – только одиннадцать процентов от общей массы выходят в космос с полезной нагрузкой. Больше 270 тонн топлива сгорает, чтобы «Союз» преодолел притяжение.

Фото: Роскосмос

В материале «Научной России» о видах ракетного топлива, которые используют сегодня, и о перспективных разработках.

Твердое ракетное топливо

Сегодня дымный порох используют в основном в петардах, салютах и других пиротехнических изделиях, хотя изначально именно он был первым ракетным топливом. Одно из четырех великих китайских изобретений – по отдельным данным, смесь селитры, древесного угля и серы использовали в ракетах еще во втором веке нашей эры.

Твердотопливный двигатель

Твердое ракетное топливо – это вещество, или смесь веществ, которые способны гореть без доступа кислорода, при этом выделяя достаточно много газа. Среди достоинств твёрдотопливных двигателей называют относительную простоту в изготовлении и применении, отсутствие проблемы с утечками токсичных веществ, надежность и возможность долговременного хранения топлива. Недостатки таких двигателей – это невысокий удельный импульс, трудности в управлении тягой двигателя и его повторным запуском, высокий уровень вибраций при работе. Из-за недостатков твёрдотопливных двигателей, первыми в космос полетели именно ракеты с двигателями на жидком топливе, хотя, твердые горючие смеси были изобретены раньше.

Твердотопливные ускорители использовали при запуске американских шаттлов – два таких устройства, длиной сорок пять с половиной метров и общей массой 1180 тонн разгоняли корабли и отделялись на высоте около сорока пяти километров примерно через две минуты после запуска: они спускались на парашютах и после заправки их использовали снова.

Современные твердые топлива – это смесь горючих веществ и окислителя. Для ракетостроения подходят многие, но большинство основаны на окислителях, которые способны взаимодействовать с разным горючим. Это могут быть перхлораты аммония, лития или калия. Или нитраты калия или аммония. Как горючее используют металлы, или их сплавы, например, алюминий, магний, литий и бериллий. Возможно использование и других материалов: полимеров или смол, как полиэтилен, каучук и битум.

Жидкое ракетное топливо

Жидкостные реактивные двигатели могут использовать в качестве топлива одно-, двух- и трёхкомпонентные смеси. У них высокий удельный импульс, их можно останавливать и повторно запускать, что важно при маневрировании в космосе, сами ракеты на жидкостных двигателях получаются легче. Но они сложнее устроены и дороже: система топливных баков, трубопроводов и насосов требует более тщательной подготовки и проверки в процессе сборки и перед запуском.

Элементы жидкого топлива – это горючее и окислитель. Они подаются из разных баков под давлением через форсунки и перемешиваются в камере сгорания. После воспламенения начинается процесс горения, которое продолжается, пока горючее и окислитель поступают в камеру. Керосин, водород, сжиженный для закачки в баки и азотно-водородное соединение гидразин – основные виды горючего для жидкостных ракетных двигателей. Если в качестве горючего используют керосин или водород, в качестве окислителя применяют сжиженный кислород. Если горючим выступает гидразин, то как окислитель используют четырехокись азота — N2O4.

Чище остальных горит водород – соединяясь с кислородом он выделяет только тепло и водяные пары. Керосин, который очищают, чтобы использовать как горючее, при сгорании выделяет угарный и углекислый газы.

Топливо жидкостных двигателей может быть и однокомпонентным. Из-за небольшого удельного импульса и меньшей эффективности такие виды менее популярны, чем двухкомпонентные смеси, но их отличает простота в конструкции двигателя. Однокомпонентное топливо – это жидкость, которая при взаимодействии с катализатором разлагается с образованием горячего газа. Это может быть гидразин, который разлагается на аммиак и азот, или концентрированный пероксид водорода, который образует перегретый водяной пар и кислород. В качестве катализатора может выступать, например, окись железа.

Топливо будущего

Химические ракетные топлива, и жидкие, и твердые, способны вывести космические аппараты на околоземные или лунные орбиты, но для дальних космических миссий их может быть недостаточно.

Одно из предложений, которое может решить проблему с дальними полетами – это ядерные двигатели. По расчетам, ядерный тепловой двигатель может доставить ракету на Марс всего за три месяца. Одна из американских компаний предложила использовать ядерный двигатель со сжиженным водородом в качестве рабочего тела. В такой системе реактор вырабатывает тепло из уранового топлива. Это тепло нагревает жидкий водород, который при расширении и создает тягу. Разработки ядерных ракетных двигателей начинались еще в пятидесятых годах, но пока ни один из таких аппаратов не был запущен.

А в марте 2021 года в Роскосмосе сообщили, что в 2025-2030 годах планируют испытать еще одну перспективную разработку – новые ионные двигатели мощностью от 200 Вт до 35 кВ. Ионные двигатели – это тип электрических ракетных двигателей, которые создают тягу на базе ионизированного газа, разогнанного до высоких скоростей в электрическом поле. Такие разработки уже используются в космических миссиях. Ионные двигатели отличаются малым расходом топлива и долгим временем работы.

Фото на главной странице: Роскосмос

По материалам из открытых источников

Прекращение горения твердых ракетных топлив и взрывчатых веществ при переменном давлении Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Мырзакулов Р., Козыбаков М. Ж., Сабденов К. О.

Рассматривается горение твердых ракетных топлив и порохов, разлагающихся на газ посредством пиролиза. Показана возмож» ность гашения горения гармонически меняющимся давлением. Причиной тому является то, что при определенных условиях ма» лые колебания давления, как правило, вызывают большие по амплитуде изменения скорости горения. Погасание происходит при снижении температуры поверхности топлива ниже критической величины. Проведено исследование для случаев экзотер» мической и эндотермической реакции пиролиза.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Interruption of burning of solid rocket fuels and explosive substances at varying pressure

Burning of solid rocket fuels and powders decomposed into gas by means of pyrolysis is considered. The possibility of burning interruption by harmonically varying pressure is shown. The reason of it is the fact that in definite conditions minor pressure fluctuation result in, as a rule, changes of burning velocity of large amplitude. Flame failure takes place at temperature decrease of fuel surface lower than critical magnitude. The research for cases of exothermic and endothermic pyrolysis reaction is carried out.

Текст научной работы на тему «Прекращение горения твердых ракетных топлив и взрывчатых веществ при переменном давлении»

временного КА связи являются существенная нестационарность и неоднородность температурных полей всех панелей блока. Масштабы отклонений предельных значений температур от средних величин существенно отличаются от аналогичных данных, полученных с применением плоской нестационарной модели теплопереноса. Следовательно,

наиболее перспективными для анализа температурных полей и тепловых режимов таких сложных конструкций, как Н-образный блок КА являются пространственные нестационарные модели тепло-переноса, учитывающие основные механизмы переноса энергии и тепловую связь между отдельными элементами конструкции блока.

1. Панин В.Ф. Конструкции с сотовым заполнителем. — М.: Машиностроение, 1991. — 270 с.

2. Пат. 2092398 РФ. МКИ B64G 1/10. Космический аппарат блоч-но-модульного исполнения. / Е.А. Ашурков, В.П. Кожухов, А.Г. Козлов, Е.Н. Корчагин. Опубл. 10.10.1997, Бюл. № 28. — 4 с.

3. Ашурков Е.А., Бураков В.А., Козлов А.Г. и др. Математическое моделирование нестационарных теплофизических процессов в отсеках бортовой аппаратуры космических аппаратов // Известия вузов. Физика. — 1993. — № 4. — С. 119-128.

4. Кузнецов Г.В., Санду С.Ф. Математическое моделирование теплопереноса в накопителях энергии современных космических энергетических установок // Известия вузов. Проблемы энергетики. — 2003. — № 5-6. — С. 3-13.

5. Бураков В.А., Елизаров В.В., Корчагин Е.Н. и др. Тепловая математическая модель Н-образного блока негерметичного приборного отсека геостационарных космических аппаратов // Инженерно-физический журнал. — 2003. — Т. 76. — № 4. -С. 142-149.

6. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Высшая школа, 1984. — 247 с.

7. Кузнецов Г.В., Санду С.Ф. Математическое моделирование работы систем обеспечения теплового режима радиоэлектронной аппаратуры // Известия вузов. Приборостроение. — 2005. — Т. 48. — № 1. — С. 54-61.

8. Борисов А.А., Горбачева В.М., Карташов Г.Д., Мартынов М.И., Прытков С.Ф. Надежность зарубежной элементной базы // Зарубежная радиоэлектроника. — 2000. — № 5. — С. 34-53.

ПРЕКРАЩЕНИЕ ГОРЕНИЯ ТВЕРДЫХ РАКЕТНЫХ ТОПЛИВ И ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

ПРИ ПЕРЕМЕННОМ ДАВЛЕНИИ

Р. Мырзакулов*, М.Ж. Козыбаков**, К.О. Сабденов

*Евразийский национальный университет, г. Астана **Шымкентский социально-педагогический университет, г. Шымкент Томский политехнический университет E-mail: sabdenovko@mail.ru

Рассматривается горение твердых ракетных топлив и порохов, разлагающихся на газ посредством пиролиза. Показана возможность гашения горения гармонически меняющимся давлением. Причиной тому является то, что при определенных условиях малые колебания давления, как правило, вызывают большие по амплитуде изменения скорости горения. Погасание происходит при снижении температуры поверхности топлива ниже критической величины. Проведено исследование для случаев экзотермической и эндотермической реакции пиролиза.

Практика разработки и эксплуатации ракетных двигателей на твердом топливе встречается с рядом разновидностей нестационарного горения, происходящего при переменном давлении. Изменение давления может быть вызвано штатными и нештатными ситуациями. К нештатной ситуации относится неустойчивость горения, вызванная конструкционными особенностями двигателя, внутренними физико-химическими процессами, обеспечивающими горение топливного заряда, внешним воздействием. Такой вид нестабильного горения в ракетных двигателях подразделяют на низкочастотную и высокочастотную неустойчивость [1, 2. С. 104-129]. Вторую из них называют еще акустической неустойчивостью или, реже, резонансным горением.

Низкочастотная неустойчивость. В процессе горения топлива наблюдалось, что когда давление в ракетном двигателе падает ниже какой-то критической величины, давление в камере сгорания может внезапно упасть до атмосферного, и горение заряда прекращается. Иногда, однако, спустя некоторое время, от долей секунды до нескольких секунд, вновь происходит воспламенение, и наступает новый период нормального горения. Этот цикл с частотой —1. 10 Гц может многократно повторяться, приводя к ряду вспышек. Высокочастотная (акустическая) неустойчивость наиболее часто наблюдалась в трубчатых зарядах, хотя она встречается и в случае зарядов другой конфигурации. Горение при такой неустойчивости характеризуется внезапным ростом давления в ракетных двигателях и колебаниями с частотой порядка 103. 104 Гц.

К штатным изменениям режимов горения относится запланированный сброс (или подъем) давления в камере сгорания с целью перевода двигателя на режим с другой тягой. Смена скорости горения в двигателе может быть осуществлена и другими способами: комбинированием различных видов топлива, имеющих разные скорости горения при одних и тех же внешних условиях, изменением критического сечения сопла и др.

Кроме этого, при создании реактивных стартовых двигателей, предназначенных для выброса торпеды или ракеты из пусковой установки, стоит проблема обеспечения заданной скорости прихода газа путем изготовления топливных зарядов специальной геометрической конфигурации [3]. Но и здесь неизбежно происходит изменение давления в камере в процессе работы двигателя.

Для разработчиков ракетных двигателей при указанных выше факторах необходимо знать закономерности горения топливного заряда. Наибольший интерес представляет нестационарная скорость горения u как функция давления p и времени t. Эту зависимость u(p, t) можно найти разработкой соответствующей физико-математической модели горения топливного заряда и последующим ее анализом. Для предупреждения возникновения высокочастотной неустойчивости необходимо еще поддерживать заданные пределы изменения акустической проводимости £ топлива.

Настоящая работа посвящена расчету нестационарной скорости горения и акустической проводимости топлива, установлению закономерностей их поведения при различных формах зависимости давления от времени.

Математическая постановка задачи

В одном из простейших вариантов модель горения твердого ракетного топлива или взрывчатого вещества с его разложением по механизму пиролиза математически может быть представлена следующим образом [4, 5]:

+pQYk0 exp(- REt) + Pcf