Выбор смесевого твёрдого топлива

Как уже упоминалось, в настоящее время выбор твердого ракетного топлива сводится к тому, чтобы из имеющейся базы данных выбрать марку и тип топлива. Обычно при этом рассматривается несколько альтернативных вариантов.

Смесевое иопливо представляет собой неоднородную систему, состоящую из кристаллического окислителя, полимерного связующего, которое одновременно является горючим, а также порошкообразных металлических и прочих добавок.

В качестве окислителя, как уже упоминалось, наибольшее распространение получил перхлорат аммония. Основным преимуществом данного окислителя является сравнительно невысокая температура разложения и малая молекулярная масса. Кроме того, скорость горения твёрдых топлив, содержащих перхлорат аммония, вполне удовлетворяет требованиям баллистики и рациональному сочетанию основных проектных параметров РДТТ с зарядами канального горения. Энергетические характеристики топлив с перхлоратом аммония сравнительно высокие при слабой зависимости скорости горения от давления и начальной температуры. Уменьшение размеров частиц кристаллического окислителя является одним из путей повышения скорости горения и наоборот. При этом скорость горения может изменяться более, чем втрое.

Кроме перхлората аммония в качестве окислителя могут применяться также перхлорат калия и другие рецептуры.

Как уже говорилось, полимерное горючее в смесевых топливах является одновременно связующим и составляет 15…30% от общей массы топлива. При выборе горючего приходится на практике решать вопрос об уровне калорийности топлива и его прочности с учётом выполнения многих других требований. Так, например, полиуретановые каучуки приблизительно на 30% прочнее полиизопреновых, однако, по теплотворной способности уступают последним. В составе рецептур горючего смесевых топлив в основном присутствуют как каучуки, так и смолы.

Повышение удельного импульса, плотности и стабильности горения ТРТ достигается добавлением в их состав мелкодисперсных металлических добавок. Они представляют собой порошки (алюминия, магния, бора, гидридов лёгких металлов и др.) в количестве до 20% от общей массы топлива. Как показали исследования, наибольший эффект по калорийности дают добавки на основе гидрида берилия. Но эта рецептура имеет существенный недостаток. Гидрид берилия весьма токсичен.

Благодаря широкой сырьевой базе, низкой стоимости, нетоксичности, хорошей технологичности и способности повышать стабильность горения, наибольшее применение получил алюминий.

Ниже приведены составы и свойства некоторых рецептур смесевых твёрдых топлив. Данные взяты из учебного пособия «Основы проектирования ракетных двигательных установок» под редакцией Д.А. Ягодникова.

Состав и свойства зарубежных смесевых твёрдх топлив

Топливо TP - H - 3062

Состав в % от массы топлива:

- перхлорат аммония – 72;

- полиуретан – 12;

- порошкообразный алюминий – 16.

Условная химическая формула:

C_6,148H_36,049O_26,532N_6,284Cl_6,133Al_5,94.

Полная энтальпия – 2229 кДж/кг.

Закон горения:

u = 2(p _к / 98066,5)^0,22[1 + 00028(T _н – 293,15)],

где p _к – давление в камере, Па; T _н – начальная температура топлива, К.

Плотность топлива ρ_т = 1820 кг/м³.

Теплоёмкость c_p = 1124 Дж/(кг·К).

Коэфициент теплопроводности λ = 0,328 Вт/(м·К).

Коэффициент линейного расширения α = 2,5·10^-4 1/К.

Термодинамическая температура продуктов сгорания

T ^* = 3642 К (p _к = 7 МПа).

Минимальное давление устойчивого горения 0,14 МПа.

Способ изготовления заряда –свободное литьё.

 

Топливо ARCIT -373 D

Состав в % от массы топлива:

- перхлорат аммония – 58,9;

- поливенилхлорид – 8,62;

- ди-этилгексил адипинат – 10,79;

- добавки – 0,69;

- порошкообразный алюминий – 21.

Условная химическая формула:

C_9,574H_37,389O_21,189N_5,039Cl_6,468Al_7,734.

Полная энтальпия – 1934 кДж/кг.

Закон горения:

u = 3,49(p _к / 98066,5)^0,22[1 + 0001544(T _н – 293,15)],

где p _к – давление в камере, Па; T _н – начальная температура температура топлива, К.

Плотность топлива ρ_т = 1770 кг/м³.

Теплоёмкость c_p = 1215 Дж/(кг·К).

Коэфициент теплопроводности λ = 0,42 Вт/(м·К).

Коэффициент линейного расширения α = 2,5·10^-4 1/К.

Термодинамическая температура продуктов сгорания

T ^* = 3324 К (p _к = 7 МПа).

Минимальное давление устойчивого горения 0,14 МПа.

Способ изготовления заряда –прессование.

 

 

Топливо ARCADENE 253 A

Состав в % от массы топлива:

- перхлорат аммония – 65;

- полибутадиен с концевыми гидраксильными группами (ПБКГГ) – 9,44;

- оксамид - 5;

- ди-октил адипинат – 1;

- поверхностно-активные вещества – 0,35;

- дианизид-инди-изоцианит – 1,21;

- порошкообразный алюминий – 18.

Условная химическая формула:

C_9,490H_36,746O_23,667N_6,754Cl_5,532Al_6,672.

Полная энтальпия – 2123 кДж/кг.

Закон горения:

u = 1,554(p _к / 98066,5)^0,26 [1 + 000126(T _н – 293,15)],

где p _к – давление в камере, Па; T _н – начальная температура температура топлива, К.

Плотность топлива ρ_т = 1800 кг/м³.

Теплоёмкость c_p = 1124 Дж/(кг·К).

Коэфициент теплопроводности λ = 0,41 Вт/(м·К).

Коэффициент линейного расширения α = 3,3·10^-4 1/К.

Термодинамическая температура продуктов сгорания

T ^* = 3532 К (p _к = 7 МПа).

Минимальное давление устойчивого горения 7 кПа.

Способ изготовления заряда – свободное литьё.

 

 

 

Топливо ANB -3066

Состав в % от массы топлива:

- перхлорат аммония – 65,97;

- полибутадиенакриловая кислота – 12,37;

- катализатор полимеризации – 2,66;

- порошкообразный алюминий – 19.

Условная химическая формула:

C_9,848H_38,639O_23,242N_5,71Cl_5,615Al_7,042S_0,073.

 

Полная энтальпия – 1729 кДж/кг.

Закон горения:

u = 2,87(p _к / 98066,5)^0,3[1 + 0002(T _н – 293,15)],

где p _к – давление в камере, Па; T _н – начальная температура температура топлива, К.

Плотность топлива ρ_т = 1766 кг/м³.

Молекулярная масса продуктов сгорания μ = 28 кг/кмоль

Теплоёмкость c_p = 1377 Дж/(кг·К).

Коэфициент теплопроводности λ = 0,243 Вт/(м·К).

Коэффициент линейного расширения α = 2·10^-4 1/К.

Термодинамическая температура продуктов сгорания

T ^* = 3305 К (p _к = 7 МПа).

Минимальное давление устойчивого горения 14 кПа.

Способ изготовления заряда – свободное литьё.

 

Небольшон примечание

Молекулярная масса продуктов сгорания μ связана с газовой постоянной R соотношением R = R ₀ / μ, где R ₀ = 8317 Дж/(кг·моль·К). В свою очередь, зная R и термодинамическую температуру продуктов сгорания T ^*, мы можем аналитически определить комплекс параметров β и удельный импульс, не прибегая к методу Зельдовича.

 

Топливо AGC

Состав в % от массы топлива:

- перхлорат аммония – 20,2;

- полиуретан – 38,2;

- порошкообразный бор – 41,6.

Условная химическая формула:

C_19,579H_43,605O_13,311N_2,217Cl_1,719B_38,447.

Полная энтальпия – 1832 кДж/кг.

Закон горения:

u = 1,93(p _к / 98066,5)^0,35 [1 + 0004(T _н – 293,15)],

где p _к – давление в камере, Па; T _н – начальная температура температура топлива, К.

Плотность топлива ρ_т = 1500 кг/м³.

Термодинамическая температура продуктов сгорания

T ^* =2022 К (p _к = 7 МПа).

Теплоёмкость c_p = 1366 Дж/(кг·К).

Коэфициент теплопроводности λ =1,8 Вт/(м·К).

Коэффициент линейного расширения α = 4·10^-4 1/К.

Минимальное давление устойчивого горения 0,15 МПа.

Способ изготовления заряда – литьё.

 

Топливо EREC

Состав в % от массы топлива:

- гексонитроэтан –52,3;

- тетраксидифтораминобутан – 21,5;

- синтетический каучук – 15;

- порошкообразный бор – 11,2.

Полная энтальпия – 2123 кДж/кг.

Закон горения:

u = 27,6(p _к / 98066,5)^0,17 ,

Плотность топлива ρ_т = 1740 кг/м³.

Молекулярная масса продуктов сгорания μ = 31 кг/кмоль.

Показатель процесса истечения k = 1,13.

Термодинамическая температура продуктов сгорания

T ^* = 4302 К (p _к = 7 МПа).

Минимальное давление устойчивого горения 0,14 МПа.

Способ изготовления заряда – свободное литьё.

 

 

Топливо ПХА-3М

Состав в % от массы топлива:

- перхлорат аммония – 66;

- идеализированноеуглеводородное горючее – 15;

- порошкообразный алюминий – 19.

Условная химическая формула:

C_10,694H_43,856O_22,469N_5,617Cl_5,615Al_7,042.

Полная энтальпия – 1934 кДж/кг.

Закон горения:

u = 3,44(p _к / 98066,5)^0,26 [1 + 00036(T _н – 293,15)],

где p _к – давление в камере, Па; T _н – начальная температура температура топлива, К.

Плотность топлива ρ_т = 1740 кг/м³.

Молекулярная масса продуктов сгорания μ = 26 кг/кмоль.

Теплоёмкость c_p = 1179 Дж/(кг·К).

Коэфициент теплопроводности λ = 1,2 Вт/(м·К).

Коэффициент линейного расширения α = 3,3·10^-4 1/К.

Минимальное давление устойчивого горения 14 кПа.

Способ изготовления заряда – свободное литьё.

 

Топливо ПХА-4М

Состав в % от массы топлива:

- перхлорат аммония – 35;

- нитразол – 45;

- порошкообразный алюминий – 20.

Условная химическая формула:

C_9,213H_24,948O_28,408N_7,428Cl_2,979Al_7,413.

Полная энтальпия – 2034 кДж/кг.

Закон горения:

u = 6,49(p _к / 98066,5)^0,24 [1 + 00036(T _н – 293,15)],

где p _к – давление в камере, Па; T _н – начальная температура температура топлива, К.

Плотность топлива ρ_т = 1800 кг/м³.

Теплоёмкость c_p = 1084 Дж/(кг·К).

Коэфициент теплопроводности λ = 0,94 Вт/(м·К).

Коэффициент линейного расширения α = 3,4·10^-4 1/К.

Минимальное давление устойчивого горения 30 кПа.

Способ изготовления заряда – прессование.