Определение рабочего соотношения компонентов топлива «АТ + НДМГ» в камере сгорания

Жидкостные ракетные двигатели могут работать на однокомпонентном и двухкомпонентном топливе (редко многокомпонентном). Двухкомпонентное топливо, состоящее из горючего и окислителя, является наиболее распространенным видом ракетного топлива.

Окислитель и горючее подаются в камеру сгорания (КС) при определённом соотношении компонентов, с целью максимизации процессов горения. Это соотношение компонентов топлива называется стехиометрическим соотношением и показывает количество окислителя, которое необходимо подать полного сгорания одного моля горючего. На практике соотношение компонентов отличается от стехиометрического ввиду диссоциации и особенностей химического состава, поэтому вводиться понятие действительное соотношение компонентов, которое определяется как отношение массового расхода окислителя к массовому расходу горючего. Однако процессы в КС сложны и требуют подачи разного соотношения компо- нентов в соответствующих зонах. Выделяют две зоны: ядро КС и пристеночный слой.

Ядро камеры сгорание акцентировано на максимизацию энергетических аспектов процесса, пристеночный же слой служит буферной зоной для охлаждения компонентов и продуктов сгорания с целью защиты стенок камеры двигателя от теплового воздействия (и как следствие прогара).

Таким образом, в каждой из зон формируется свое действительное соотношение компонентов топлива. Для дальнейших расчетов двигателя необходимо определить общее соотношение, объединяющее соотношение в ядре КС и в пристеночном слое, именуемое рабочим соотношением компонентов.

В данной работе предлагается определить рабочее действительное соотношение компонентов топлива в камере сгорания двигателя для топливной пары азотный тетраоксид и несимметричный диметил-гидразин. Для получения некоторых рас- четных величин воспользуемся программой «Termoras».

Характеристики топливных компонентов

Азотный тетраоксид (АТ, четырехокись азота, амил) – эффективный высококипя-щий ракетный окислитель, представляющий собой темнобурую, интенсивно «дымящуюся» на воздухе жидкость с резким характерным запахом окислов азота. Химическая формула – N 2 O 4 . Обладает высокой летучестью. Химически стабилен.

Коррозионно слабо агрессивен (при содержании воды не более 1%). Допускает использование нержавеющих и высоколегированных сталей, алюминиевых сплавов, фторопластов и паронита. Для хранения и транспортировки можно использовать емкости из Ст3, сплавы АМг3. Баки для АТ могут изготавливаться из стали 12Х5МА, сплава АМг3.

С углеводородами (ароматическими, спиртами и т.п.) растворение идет со значительным тепловыделением, которое может привести к самовоспламенению и даже взрыву. Это обстоятельство делает недопустимым применение углеводородных смазок в контакте с четырехокисью азота. В качестве смазки допускается использование смесей графита и жидкого стекла.

Пожаро- и взрывобезопасен. Производится путем термокаталитического окисления газообразным кислородом окислов азота, получаемых из аммиака. Хранится и транспортируется в герметичных термостатируемых емкостях под избыточным давлением азота (до 0,2 МПа) или в бочках.

Токсичность высока, ПДК - около 2 x 10 — ³ мг/л. Экологически опасен (с водой образует азотную кислоту).

Узкий температурный диапазон жидкого состояния N 2 O 4 (-11,2…21,15°С) требует в большинстве случаев при использовании АТ термостатирования.

Несимметричный диметилгидразин (НДМГ, гептил) – синтетическое азотноуглеводородное горючее с химической формулой (СН 3 ) 2 N 2 H 2 . Прозрачная, бесцветная, очень гигроскопичная жидкость с резким, неприятным аммиачным запахом

«разлагающегося» белка. Химически стоек и стабилен. Диссоциация начинается при температуре стенки 450°С или температуре жидкости 200°С. При температуре стенки выше 200…300°С на стенке может выпадать кокс, ухудшающий теплообмен. При температурах жидкости выше 230°С интенсивно разлагается с выделением тепла («саморазогревом»). НДМГ очень гигроскопичен, и следует принимать меры, исключающие непосредственный контакт жидкости с воздухом. Активно окисляется атмосферным кислородом даже при комнатной температуре, более интенсивно – при повышенном давлении и нагревании. При давлении выше 0,2 МПа НДМГ с кислородом воздуха может дать взрыв, и поэтому для наддува баков с НДМГ необходимо использовать азот или другие инертные газы.

Коррозионно очень слабо агрессивен. Допускает применение большинства малоуглеродистых и хромоникелевых сталей, сплавов алюминия и титана, фторопластов, полиэтилена, паронита, каучука, графита, асбеста. Из конструкционных материалов не рекомендуется применять медь и ее сплавы. Разлагается при контакте с ванадием, молибденом, вольфрамом, серебром и металлами «платиновой» группы. На неметаллические материалы ограничений практически нет.

Очень пожароопасен (температура вспышки на воздухе 260 К). Взрывоопасен только в азотнокислотных и кислородных средах. При контакте с воздухом при повышенных давлениях (больше 0,2 МПа) самовоспламеняется.

В промышленности НДМГ получают разными способами: гидрогенизация, алкилирование гидразина, восстановление нитрозодиалкиамида.

Хранится и транспортируется в герметичных, максимально заполненных емкостях под давлением сухого азота.

Токсичность НДМГ чрезвычайно высока, ПДК ~ 0,0001 мг/л. В организм может попасть через дыхательные пути и через кожный покров. Защитные меры предосторожности при работе с НДМГ предусматривают использование специальной одежды, состоящей из прорезиненных брюк и куртки с головным капюшоном, очков, перчаток и резиновых сапог. Экологически опасен.

Важной характеристикой исследуемой топливной пары является самовоспламеняемость, то есть когда для организации процесса горения не требуется внешнее воздействие, а достаточно контакта основных компонентов. Это дает ряд преимуществ в сравнении с несамовоспламеняющимися топливными парами:

• -    Значительное упрощение системы запуска двигателя, а значит повышение надежности пуска;

• -    Самовоспламеняющиеся компоненты меньше скапливаются в камере сгорания, а значит уменьшается вероятность взрыва смеси;

• -    Уменьшение объема камеры сгорания, а следовательно снижение массы конструкции;

• -    Более устойчивый процесс работы двигателя по отношению к низкочастотным пульсациям в камере сгорания.

Исходные данные для расчета

Для определения рабочего соотношения компонентов (К_{т раб}) необходимо определить его составляющие – действительное соотношение в ядре КС (К_{т ядра}) и действительное соотношение в пристеночном ^слое ( ^К _т пр.сл. ).

Проведем термодинамический расчет с помощью программы «Termoras» откуда получим К тядра И К т пр.сл. . Для расчета необходимы следующие данные:

• -    Давление в КС;

• -    Давление на срезе сопла;

• -    Энтальпии компонентов топлива.

Энтальпии компонентов известны и приведены в таблице 1.

Таблица 1. Энтальпии компонентов топлива

Окислитель	Горючее
Азотный тетраоксид (АТ)	Несимметричный диметилгидразин (НДМГ)
-212,5 кДж/кг	832 кДж/кг

Давление в КС и на срезе сопла индивидуальны для каждого двигателя и его назначения. В качестве образца примем двигатель РД-119, работающий на исследуемой топливной паре. Двигатель предназначен для второй ступени ракеты-носителя и имеет следующие параметры:

• -    Давление в КС – 8 МПа;

• -    Давление на срезе сопла – 0,007 МПа

Также для расчета необходимо указать диапазон коэффициента избытка окисли- теля (α) – коэффициент отличия действительного соотношения от стехиометрического. Зададим начальный диапазон α от 0,1 до 1,5 с шагом 0,1.

Определение соотношения компонентов в ядре камеры сгорания

Кт ядра можно определить как раз через стядра, которое, в свою очередь, соответствует максимальному значению удельного импульса двигателя (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость атмосферного удельного импульса Is [м/с] от коэффициента избытка окислителя α

Из графика (рис. 1) видно, что оптимальный удельный импульс находится возле значения 1. Проведем уточняющий расчет для диапазона α от 0,9 до 1,05 с шагом 0,01. Рассмотрим результат расчета на рисунке 2.

a - коэффициент избытка окислителя

Рис. 2. Уточняющая зависимость атмосферного удельного импульса Is [м/с] от коэффициента избытка окислителя α

Таким образом, максимум удельного импульса для топливной пары «АТ + НДМГ» соответствует коэффициенту избытка окислителя α равному 0,96 (рисунок 2). Этому значению в расчете соответствует соотношение компонентов 2,94, а знаЧИТ К т ядра = 2,94.

Определение соотношения компонентов в пристеночном слое

Для определения К_{т пр} . _сл . необходимо установить а_пр . _сл . , которое должно удовлетворять главному требованию в пристеночном слое – температура горения ниже 2000 К. В таком случае найдем с помощью программы «Termoras» а_пр . _сл . (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость температуры Т [К] от коэффициента избытка окислителя α

Из рисунка 3 видно, что температурный диапазон, удовлетворяющий нас, находится при коэффициенте избытка окислителя меньше 0,4. Проведем уточняющий расчет для диапазона α от 0,1 до 0,4 с шагом 0,05 (рис. 4).

Рис. 4. Уточняющая зависимость температуры Т [К] от коэффициента избытка окислителя α

Согласно графику (рис. 4) нашим требованиям (Т < 2000 К) удовлетворяет коэффициент избытка окислителя равный 0,3. Соотношение компонентов топлива при данном α равно 0,92, следовательно К т пр.сл. = 0,92.

Расчет рабочего соотношения компонентов камере сгорания

Теперь, когда нам известны все расчетные величины, перейдем к вычислению К т раб •

К т раб

^ ок т ; _О р ,

где т_ок, т_гор - массовые расходы окислителя и горючего соответственно.

7?1гор

Кт ядра ток = 77       । -. X тядра +

К т ядра + ¹           К

К т пр.сл.

v-      II X тядра +

К т ядра + ¹

■ т пр.сл. + ¹

^X ^ пр.слой '

X ТМ пр.сл. + ^ завесы , К т пр.слой + ¹

где ^ ядра , ^ пр.слой , ^ завесы относИтельные массовые расходы в ядре, в пристеночном слое и на завесном охлаждении соответственно.

Сумма трех относительных массовых расходов должна равняться единице. Их задают в зависимости от устройства системы охлаждения двигателя. Так, на РД-

119 применяется и пристеночный слой, и завесное охлаждение. На практике т_пр . _слой и т_завесы задаются условно, исходя из установленных диапазонов: йг_пр . _сло й = 10^20%, т_завесы = 2 „.3%.

Примем ^ пр.слой ⁰ , ² , ^а ^ завесы 0,03, тогда:

^ ядра   ¹    ^- пр.слой    ^- завесы    0,77

Данные по относительным массовым расходам сведены в таблицу 2.

Таблица 2. Значения относительных массовых расходов

тядра	тпр.слой	тзавесы
0,77	0,2	0,03

Следовательно, по вышеприведенным формулам мы можем вычислить сначала т_ок и т Г _ор, а затем К_{т раб}. Таким образом, получаем:

К т ядра     _      ,   К т пр.сл.     _          _ _ „

ток = 77       . 1 X тядра + 77        । -« X тпр.слой = 0,67,

К т ядра ' ¹             К т пр.сл. + ¹

^тгор    к       _|_ ^ ^{X т}ядра + j^         । ^ ^{X т}пр.сл. + ^тзавесы 0,33,

К т раб

ток

тгор

= 2,0331.

В результате рабочее соотношение компонентов для двигателя с топливной парой «АТ + НДМГ» и начальными параметрами, взятыми с РД-119, равняется 2,0331.

Расчет параметров двигателя при рабочем соотношении компонентов в ка мере сгорания

Теперь, когда мы знаем рабочее соотношение компонентов топлива, рассчитаем параметры двигателя при этом соотношении через программу «Termoras». Рассчитанные данные сведены в таблицу 3.

Таблица 3. Параметры двигателя при К_т раб

Параметр	Значение
Коэффициент избытка окислителя	0,664
Соотношение компонентов топлива	2,0331
Температура в камере сгорания, К	3259,0
Индивидуальная   газовая   постоянная   топлива, Дж/(кг·К)	385,9
Показатель процесса	1,187
Местная скорость звука в камере сгорания, м/с	1216,8
Атмосферный удельный импульс, м/с	3185,5
Пустотный удельный импульс, м/с	3286,9

Заключение соотношении компонентов топлива мы

Таким образом, с помощью программы «Termoras» мы провели полный термодинамический расчет и получили рабочее соотношение компонентов для топливной пары «АТ + НДМГ» на примере ракетного двигателя РД-119. Вдобавок при рабочем вычислили параметры двигателя, которые необходимы для дальнейшего расчета элементов двигательной установки, таких как турбонасосный агрегат или камера сгорания.