Топливо

«... И нет ничего нового под солнцем»

(Экклезиаст 1:9).
О топливах, ракетах, ракетных двигателях писалось, пишут и будут писать.

Одной из первых работ по топливам ЖРД можно считать книгу В.П. Глушко "Жидкое топливо для реактивных двигателей", изданную в 1936 г.

Для меня тема показалась интересной, связанной с моей бывшей специальностью и учёбой в ВУЗе, тем паче "приволок" её мой младший отпрыск: "Шеф давай замесим, что нить такое и запустим, а если лень, то мы сами "сообразим". Видимо, лавры экстремалов из "Лин Индастриал" не дают покоя.

"Соображать" будем вместе, под строгим родительским контролем. Руки ноги должны быть целыми, чужие тем более.

"Ключ на старт"... "Поехали"! (Ю.А. Гагарин& С.П. Королёв)

Какой бы тип РД (схема, характер процесса) не применялся в ракетной технике, его целевое предназначение: создание тяги (силы), путём преобразования исходной энергии, запасённой в РТ в кинетическую энергию (Ек) реактивной струи рабочего тела.
Ек реактивной струи в РД преобразуются разные виды энергии (химическая, ядерная, электрическая).

Для химических двигателей топливо можно разделить по фазовому состоянию: газообразное, жидкое, твёрдое, смешанное.

Классификация химических топлив для ракетных двигателей (общепринятая):

--> Термины и сокращения .
Дополнительно (HTML-теги на TopWar не той системы, посему spoilerЫ и каты приходится так организовывать):
Удельный импульс (Iуд) .
Реактивная тяга (Р или Fр) .
Стехиометрическое соотношение компонентов топлива (Km0)( подробнее-кликнуть )-отношение массы окислителя к массе горючего при стехиометрических реакциях.
Состав топлива-горючая и негорючая части (в общем случае) .
Виды топлив (в общем случае).

Химическим источником тепловой энергии для РД в общем случае можно считать химическую реакцию компонентов РТ.

Начну вещать с Km0. Это очень важное соотношение для РД: топливо может гореть по-разному в РД (химическая реакция в РД-это не обычное горение дров в камине , где в качестве окислителя выступает кислород воздуха). Горение (точнее окисление) топлива в камере ракетного двигателя – это, в первую очередь, химическая реакция окисления с выделением тепла. А протекание химических реакций существенно зависит от того, сколько веществ (их соотношение) вступает в реакцию.

Как засыпаться на защите курсового проекта, экзамена или сдаче зачёта . / Дмитрий Завистовский

Значение Km0 зависит от валентности, которую могут проявлять химические элементы в теоретической форме уравнения химической реакции. Пример для ЖРТ: АТ+НДМГ .

Важный параметр - коэффициент избытка окислителя (обозн. греческой "" с индексом "ок.") и массовое соотношение компонентов Kм.

Kм=(dmок./dt)/(dmг../dt), т.е. отношение массового расхода окислителя к массовому расходу горючего. Он специфичен для каждого топлива. В идеальном случае представляет собой стехиометрическое соотношение окислителя и горючего, т.е. показывает сколько кг окислителя нужно для окисления 1 кг горючего. Однако реальные значения отличаются от идеальных. Соотношение реального Kм к идеальному и есть коэффициент избытка окислителя.

Как правило, ок.<=1. И вот почему. Зависимости Tk(ок.) и Iуд.(ок.) нелинейны и для многих топлив последняя имеет максимум при ок. не при стехиометрическом соотношении компонентов, т.е макс. значения Iуд. получаются при некотором снижении количества окислителя по отношению к стехиометрическому. Ещё немного терпения, т.к. не могу обойти понятие: энтальпии . Это пригодится и в статье, и в повседневной жизни.

Кратко энтальпия – это энергия. Для статьи важны две её "ипостаси":
Термодинамическая энтальпия- количество энергии, затраченной на образование вещества из исходных химических элементов. Для веществ, состоящих из одинаковых молекул (H2, O2 и пр.), она равна нулю.
Энтальпия сгорания- имеет смысл только при условии протекания химической реакции. В справочниках можно найти экспериментально полученные при нормальных условиях значения этой величины. Чаще всего для горючих это полное окисление в среде кислорода, для окислителей – окисление водорода заданным окислителем. Причем значения могут быть как положительными, так и отрицательными в зависимости от вида реакции.

"Сумму термодинамической энтальпии и энтальпии сгорания называют полной энтальпией вещества. Собственно, этой величиной и оперируют при тепловом расчёте камер ЖРД."

Такая градация относительна условна, но в принципе отражает суть. Назову эти требования так: №1, №2, №3. Кто-то может дополнить список в комментариях.
Эти требования классический пример "Лебедь рак и щука" , которые "тянут" создателей РД в разные стороны:

Т.е. необходимо получить макс. Iуд. Не буду дальше забивать головы всем, в общем случае:

При прочих важных параметрах для №1 нас интересует R и Т (со всеми индексами).
Нужно, чтобы: молекулярная масса продуктов сгорания была минимальной, максимальным было удельное теплосодержание.

ТК должны иметь максимальную плотность, особенно на первых ступенях ракет, т.к. они самые объёмные и имеют мощнейшие РД, с большим секундным расходом. Очевидно, что это не согласуется с требованием под №1.

-химическая стабильность ТК;
-простота заправки, хранения, перевозки и изготовления;
-экологическая безопасность (во всём "поле" применения), а именно токсичность, себестоимость производства и транспортировки и т.д. и безопасность при работе РД (взрывоопасность).

На фотографии сопло ЖРД XLR-99: отчётливо видна характерная особенность конструкции американских ЖРД 50-60 годов – трубчатая камера:

Также требуется (как правило) один из компонентов использовать как рабочее тело для турбины ТНА:

Для топливных компонентов "большое значение имеет давление насыщенных паров (это грубо говоря давление, при котором жидкость начинает кипеть при данной температуре). Этот параметр сильно влияет на разработку насосов и вес баков."/ С.С. Факас/

Важный фактор-агрессивность ТК к материалам (КМ) ЖРД и баков для их хранения.
Если ТК очень "вредные" (как некоторые люди), тогда инженерам приходится тратиться на ряд специальных мер по защите своих конструкций от топлива.

- самовоспламеняемость компонентов топлива как двуликий Янус : иногда необходима, а бывает, что и вредит. Есть еще противное свойство: взрывоопасность
Для многих отраслей использования ракет (военное применение или дальний космос)

требуется, чтобы топливо было химически стабильным, а его хранение, заправка (в общем всё, что называется: логистика) и утилизация не вызывали "головную боль" у эксплуатантов и окружающей среды.

Важный параметр - токсичность продуктов сгорания. Сейчас он очень актуален.

Себестоимость производства как самих ТК, так и баков и КМ, удовлетворяющих свойствам (порой агрессивным) этих компонентов: нагрузка на экономику страны, претендующей на роль "космического извозчика".

Этих требований много и как правило они антогоничны друг другу.

Целый ворох проблем и требований: вязкость, Т плавления и застывания, Т кипения, испаряемость, упругость пара и скрытая теплота парообразования и т.д. и т.п.

Компромиссы ярко проявляют себя по Iуд.: ТК большой плотности (керосин+LOX), как правило, применяются на нижних ступенях РН, хотя они и проигрывают тому же LН2 и LOX, которые в свою очередь используются на верхних ступенях РН ("Энергия" 11К25).

И опять же прекрасная пара LН2+LOX не может быть использована для дальнего космоса или для долговременного пребывания на орбите («Вояджер-2», разгонный блок "Бриз-М", МКС и т.д.)

Классификация ЖРТ - чаще всего по давлению насыщенных паров или температуре тройной точки , а проще говоря - температуре кипения при нормальном давлении.

Высококипящие компоненты ЖРТ.

Chemical substance имеющие максимальную эксплуатационную температуру, при которой давление насыщенных паров (буду именовать далее Рнп) в баках ракеты существенно ниже допустимого уровня давления в баках по их конструкционной прочности.
Пример:

Соответственно они хранятся без особых манипуляций с охлаждением баков.

Мне лично больше нравится термин -"тара". Хотя это и не совсем корректно, но зато приближено к бытовому значению. Это, т.н. долгохранящиеся ТК.

Низкокипящие компоненты ЖРТ.

Здесь уже Рнп близко к максимально допустимому давлению в баках (по критерию их прочности). Хранение в герметичных баках без специальных мероприятий мер по охлаждению (и/или захолаживанию) и возврату конденсата нельзя. Такие же требования (и проблемы) с арматурой ЖРД и трубопроводами заправки/слива.

Пример:

Министерство Обороны РФ (МО РФ) считает низкокипящими компонентами все, температура кипения которых ниже 298К при стандартных условиях.