Вимоги до палива, як до джерела енергії

 

У камері згоряння (КЗ) хімічна енергія палива переходить в теплову енергію продуктів згоряння (ПЗ), що можна оцінити через зміну ентальпії в камері ∆ І_к

∆ І_к = Q_к / m_палη_к= η_к, Дж / кг пал, (1.1)

де Q_к – тепло, якевиділяється під час реакції горіння; m_пал – маса палива, яка прий-має участь у реакції; - теплопродуктивність палива (кількість тепла, яка виділя-ється під час згорянні 1 кг палива); η_к - коефіцієнт тепловиділення у КЗ.

У соплі теплова енергія перетворюється в кінетичну енергію ПЗ

∆ І_к η_c=H_uη_кη_c=H_uη_e = W_a²/2, (1.2)

де - швидкість витікання ПЗ на зрізі сопла; - коефіцієнт втрат у соплі; - коефіцієнт корисної дії двигуна.

Із виразу (1.2) дійсна швидкість витікання

, м / с. (1.3)

Тоді дійсний питомий імпульс для заданого палива

, м / с. (1.4)

Вказані вище формули ілюструють суттєву залежність швидкості та пито-мого імпульсу І_пит від теплопродуктивності палива .

Із термодинаміки відомо, що швидкість витікання

, (1.5)

де R_к=848/μ_к - газова стала,; μ_к - уявна молекулярна маса газів у КЗ; Т_к - темпе-ратура газів у КЗ, К; - показник адіабати; , - теплоємність газів за пос-тійного тиску і об’єму відповідно; р_к, - тиск газів у КЗ і на зрізі сопла відповідно.

У загальному вигляді можна записати

W_a=f( , R_к, Т_к, р_к / р_a, k, μ_к).

Газова стала R_к. Зі збільшенням газової постійної R_к швидкість витікання зростає, але R_к залежить від молекулярної маси ПЗ і зі зменшенням μ_к зростає. Отже, щоб забезпечити високі та І_пит перевагу слід надавати паливам, у результаті згоряння яких утворюються ПЗ з мінімальною молекулярною масою.

Показник адіабати . Теплоємності і зростають зі зростанням тем-ператури приблизно однаково, тому мало змінюється за температурою. Однак, для різних речовин абсолютні значення і різні, тому для різних палив, залежно від утворених ПЗ, величина буде різною.

Температура газів у камері згоряння Т_к. Збільшення Т_к сприяє підвищенню та І_пит. Сучасні хімічні палива можуть забезпечити Т_к до 6000 К, але при цьому виникають труднощі із забезпеченням прийнятної температури стінки камери.

Враховуючи сучасні методи організації охолодження камери, реальні температури складають 4000…4500 К, які забезпечує певне співвідношення між масами окислювача та пального.

Ступінь розширення газів δ= р_к /р_а. Для сучасних двигунів можна отримати в межах 500…4000. Цей параметр не пов’язаний безпосередньо з паливом і зале-жить тільки від конструкції двигуна та умов експлуатації. Але порівняння ефективності палив, що використовують на різних двигунах, слід проводити для близьких значень .

Усе сказане вище характеризувало вплив властивостей палива на параметри ракетного двигуна, який є складовою ракети. Отже, характеристики палива можуть також впливати і на параметри ракети.

Дійсно, рух ракети описує рівняння К.Е. Ціолковського

, (1.6)

де – максимальна швидкість ракети, м/с; W_a – швидкість витікання газів, м/с; m_пал ­ маса палива в ракеті, кг; m_конст – маса сухої конструкції ракети, кг.

Враховуючи, що

m_пал =V_бакρ_пал, (1.7)

де V_бак – об’єм баків, м³; ρ_пал – питома густина палива, кг/м³.

З урахуванням (1.7) вираз (1.6) набуде вигляду

. (1.8)

Якщо врахувати, що швидкість витікання ПЗ залежить від теплопродук-тивності палива та позначити відносну масу конструкції як , тоді

. (1.9)

Отже, швидкість польоту ракети буде тим більша, чим вище теплопро-дуктивність і питома густина палива.

Розглянемо ще дві умови, які не мають безпосереднього зв’язку з енерге-тичними параметрами палива, але пов’язані з процесом його горіння.

1. Важливою характеристикою робочого процесу в камері є швидкість згорян-ня палива (маса палива, що прореагувала в одиницю часу). Збільшення швидкості згоряння сприяє зменшенню часу перебування палива в КЗ, що зумовлює, відпо-відно, зменшення об’єму КЗ, отже, і зменшення маси двигуна в цілому.

Тобто, паливо повинне мати найбільшу швидкість згоряння.

2. Для надійного і плавного запуску двигуна необхідно мати паливо з наймен-шим періодом затримки спалахування. Особливо це важливо для самозаймистих палив. Збільшення часу затримки сприяє накопиченню палива в КЗ, одночасне спа-лахування якого призведе до суттєвого підвищення тиску по відношенню до номі-нального. При цьому можливе руйнування камери двигуна.

Отже, паливо повинне мати найменший час затримки спалахування.

З огляду на вищесказане можна сформулювати такі вимоги до палива як дже-рела енергії.

1. Висока теплопродуктивність для забезпечення максимального питомого ім.-пульсу.

2. Висока питома густина, що сприяє підвищенню швидкості польоту ракети і зменшенню об’ємів баків.

3. Високе значення газової постійної або найменша молекулярна маса про-дуктів згоряння, що забезпечить збільшення швидкості витікання, а, отже, і питомо-го імпульсу.

4. Помірна температура згоряння (4000…4500 К), що забезпечить надійність конструкції камери.

5. Висока швидкість згоряння для зменшення часу перебування, що зменшує об’єм камери і масу двигуна.

6. Найменший період затримки спалахування для забезпечення плавного і надійного запуску.