Джерела енергії хімічних двигунів

Джерела енергії хімічних двигунів

 

Джерелом енергії хімічних двигунів є ракетне паливо. Це досить різноманітні речовини, які мають одну спільну властивість. Усі ракетні палива утворені у результаті ендотермічних реакцій, тому містять у собі певний запас енергії, яка ви-вільняється у вигляді теплової у результаті протікання різних хімічних реакцій. Тому можна вважати, що для будь-яких палив і типів хімічних реакцій справедлива наступна схема:

паливо → газоподібні продукти реакції + тепло

За величиною тепловиділення хімічні реакції можна розділити на три основні групи:

1. Реакції розкладання. Цю групу однокомпонентних палив (моно палив) характеризує найменше тепловиділення, близько 2,515…3,35 МДж/кг палива. В ракетних двигунах найбільш поширені такі моно палива: гідразин N₂H₄, диметил-гідразин (CH₃)₂N-NH₂, перекис водню H₂O₂.

Реакції їх розкладання мають вигляд:

МДж/кг палива;

МДж/кг палива;

МДж/кг палива;

МДж/кг палива.

Реакція протікає у разі наявності каталізатора або впливу теплового імпульсу.

У зв’язку з низьким тепловиділенням двигуни на моно паливі характеризує невисокий питомий імпульс (1450 – 1950 м/с), тому найбільш раціонально викорис-товувати моно палива для генерації робочого тіла турбіни.

2. Реакції окислювально-відновні. За своїм енергетичним рівнем значно перевищують реакції першої групи. У середньому тепловиділення в таких реакціях складає 8,35…12,5 МДж/кг палива. Це найбільш розповсюджений тип реакції для сучасних хімічних палив.

Можливі дві схеми протікання реакції:

пальне + окислювач → продукти реакції + тепло

або

пальне + відновлювач → продукти реакції + тепло

Наприклад:

- реакція окислення між рідкими бензолом і киснем

МДж/кг палива;

- реакція відновлення між оксидом вуглецю і воднем у газовому стані

МДж/кг палива.

У камерах сучасних рідинних ракетних двигунів (РРД) протікають окислювальні реакції з достатньо високим тепловиділенням, що дозволяє забезпечити питомий імпульс на рівні 3000-3800 м/с.

3. Реакції асоціації. Протікають між так званими вільними радикалами або речовинами в атомарному стані (нестійкому) з утворенням стійких сполук з надзви-чайно високим тепловиділенням.

МДж/кг палива.

Нині ці реакції практично неможливі, оскільки не існує способів утримання вільних радикалів або речовини в атомарному стані через їх високу нестабільність. Це перспектива на майбутнє.

 

 

Загальна класифікація ракетних хімічних палив

До ракетних палив належить велика кількість речовин, що мають різні влас-тивості і характеристики.

У загальному вигляді можна подати таку класифікацію сучасних хімічних палив за фазовим станом (рис. 1.1).

 

 

 

Рис. 1.1. Класифікація хімічних палив

 

Кожну з цих груп вирізняють певні ознаки.

Газоподібні хімічні палива поділяють на дві групи:

1. Атомарне паливо або гази на основі вільних радикалів. Це паливо майбут-нього.

2. Газоподібне паливо з кисневим або іншим окислювачем у поєднанні з газоподібним пальним (водень, метан та інші), які широко використовують для наземних випробувань або технологічного відпрацювання ракетних двигунів.

Рідкі ракетні палива досить різноманітні. Однокомпонентні палива – це мо-норечовини і розвиток реакції розкладання зумовлений наявністю спеціального ка-талізатора. Двокомпонентні палива, до складу яких входять окислювач і пальне з роздільною подачею до камери, поділяють на самозаймисті і несамозаймисті. Обидві ці групи багато чисельні і включають речовини з різними властивостями.

Тверді хімічні палива складають багато чисельну групу однокомпонентних палив, до складу яких входять окислювач і пальне, що змішані механічно (сумішеве паливо) або є твердими розчинами (колоїдне паливо).

Змішані або різнофазні ракетні палива складаються із компонентів з різним фазовим станом. В іноземній літературі їх називають «гібридними». Існують сумішеві палива, коли окислювач газ (F₂, O₂), а пальне рідина (гас, спирт…), або, навпаки, пальне – газ (метан), а окислювач – рідкий кисень.

Можливі поєднання твердого пального з рідким окислювачем.

Пастоподібні (желеподібні) палива мають ряд цінних властивостей. Нині ведуться інтенсивні дослідження з метою використання цих речовин для ракетних двигунів.

ЛЕКЦІЯ 2

Технічні вимоги до палива

До сучасних хімічних палив висувають велику кількість вимог, які можна розділити на три групи.

1. Вимоги до палива як джерела енергії.

2. Вимоги до палива, як до речовин, що використовують для охолодження двигуна.

3. Вимоги до палива, пов’язані з його експлуатацією поза межами двигуна (на стенді, на складі, в ракеті).

У процесі вибору палива для літального апарату (ЛА), враховуючи його спе-цифіку, вимоги до палива можуть змінюватися як за кількістю, так і за змістом.

 

 

ЛЕКЦІЯ 3

ЛЕКЦІЯ 4

Джерела енергії хімічних двигунів

 

Джерелом енергії хімічних двигунів є ракетне паливо. Це досить різноманітні речовини, які мають одну спільну властивість. Усі ракетні палива утворені у результаті ендотермічних реакцій, тому містять у собі певний запас енергії, яка ви-вільняється у вигляді теплової у результаті протікання різних хімічних реакцій. Тому можна вважати, що для будь-яких палив і типів хімічних реакцій справедлива наступна схема:

паливо → газоподібні продукти реакції + тепло

За величиною тепловиділення хімічні реакції можна розділити на три основні групи:

1. Реакції розкладання. Цю групу однокомпонентних палив (моно палив) характеризує найменше тепловиділення, близько 2,515…3,35 МДж/кг палива. В ракетних двигунах найбільш поширені такі моно палива: гідразин N₂H₄, диметил-гідразин (CH₃)₂N-NH₂, перекис водню H₂O₂.

Реакції їх розкладання мають вигляд:

МДж/кг палива;

МДж/кг палива;

МДж/кг палива;

МДж/кг палива.

Реакція протікає у разі наявності каталізатора або впливу теплового імпульсу.

У зв’язку з низьким тепловиділенням двигуни на моно паливі характеризує невисокий питомий імпульс (1450 – 1950 м/с), тому найбільш раціонально викорис-товувати моно палива для генерації робочого тіла турбіни.

2. Реакції окислювально-відновні. За своїм енергетичним рівнем значно перевищують реакції першої групи. У середньому тепловиділення в таких реакціях складає 8,35…12,5 МДж/кг палива. Це найбільш розповсюджений тип реакції для сучасних хімічних палив.

Можливі дві схеми протікання реакції:

пальне + окислювач → продукти реакції + тепло

або

пальне + відновлювач → продукти реакції + тепло

Наприклад:

- реакція окислення між рідкими бензолом і киснем

МДж/кг палива;

- реакція відновлення між оксидом вуглецю і воднем у газовому стані

МДж/кг палива.

У камерах сучасних рідинних ракетних двигунів (РРД) протікають окислювальні реакції з достатньо високим тепловиділенням, що дозволяє забезпечити питомий імпульс на рівні 3000-3800 м/с.

3. Реакції асоціації. Протікають між так званими вільними радикалами або речовинами в атомарному стані (нестійкому) з утворенням стійких сполук з надзви-чайно високим тепловиділенням.

МДж/кг палива.

Нині ці реакції практично неможливі, оскільки не існує способів утримання вільних радикалів або речовини в атомарному стані через їх високу нестабільність. Це перспектива на майбутнє.