Осуществление процесса горения твердого ракетного топлива

В ракетно-космической технике широкое применение находят ракетные двигатели на твердом топливе (РДТТ). Они относятся к сложным техническим системам и характеризуются многообразием конструктивных решений и применяемых материалов, а также сложными внутренними процессами. Одним из важнейших процессов является процесс горения твердого топлива в камере сгорания двигателя, который определяет газоприход в двигателе, его расход и развиваемую тягу. Газоприход обусловлен величиной скорости горения топлива, а скорость горения даже для конкретного топлива может быть различной в зависимости от условий горения и воздействующих внешних факторов. В настоящее время отсутствуют адекватные математические модели, позволяющие точно рассчитать величину скорости горения.

Чтобы оценить роль процесса горения топлива в получение требуемых выходных параметров двигателя рассмотрим принципиальную конструктивную схему РДТТ (рис. 1), которая включает в себя следующие элементы. Заряд твердого топлива 1 располагается в камере сгорания и фиксируется специальными узлами крепления 7, которыми могут быть различные упоры и решетки. Камера сгорания включает в себя цилиндрическую обечайку 2, узлы соединения 8 и два днища (переднее 3 и заднее или сопловое 4). Как правило, днища имеют выпуклую форму (сферическую или эллиптическую) [1].

Рис. 1. Принципиальная конструктивная схема РДТТ.

Работа двигателя начинается при срабатывании воспламенительного устройства 6. Продукты сгорания воспламенительного состава заполняют внутренний объём камеры и нагревают поверхность заряда. При достижении на поверхности температуры воспламенения топлива заряд начинает гореть и двигатель выходит на основной режим работы. В результате горения заряда образуется значительное количество продуктов сгорания, которые поступают в сопло 5 и истекают в окружающую среду. В сопле газ расширяется. При этом происходит уменьшение давления, плотности и температуры газа, а скорость движения возрастает, достигая максимального значения на выходе (срезе) сопла.

Горение топлива - многоэтапный процесс. На первом этапе происходит нагрев топлива. Перед нагревом топливо имеет начальную температуру от 223 К до 323 К, до которой нагреты все элементы конструкции двигателя перед его запуском. В течение этапа температура поверхности топлива непрерывно повышается за счет подвода теплоты извне к поверхности топлива. В течение этого периода не изменяются физикохимические свойства топлива, его структура остаётся постоянной. В топливе происходит повышение температуры в поверхностном слое, а в глубине его из-за низкой теплопроводности температура остаётся неизменной и равной начальной. В конце этапа температура повышается до температуры 600 К начала разложения топлива, которая характеризуется началом первой реакция разложения одного из компонентов топлива [2].

На втором этапе происходит разложение компонентов топлива, которое начинается при достижении определенной температуры до 800 К. В целом процесс разложения любого твердого топлива - это совокупность последовательных химических реакций разложения сначала сложных, а затем все более простых химических соединений. Первые реакции - реакции разрыва связей в длинных цепочках мономолекул (например, нитроклетчатки, каучука, смолы). Затем последовательно происходят их разложение с образованием различных радикалов и разложение радикалов на малые молекулы типа NO2, NO, H2, Cl2, HCl, O2 и др. Для протекания каждой из этих реакций требуется определённая температура, т.е. на втором этапе также требуется приток теплоты в топливо и дальнейший его нагрев. При этом сами реакции разложения в большинстве случаев эндотермичны, т.е. поглощают теплоту. Этап заканчивается при завершении последней реакции разложения, что соответствует некоторой температуре до 1300 К. Исходное топливо полностью переходит в конечные продукты разложения, газообразные и конденсированные (частицы сажи, мелкие частицы расплавленного металла). Границу между конденсированной и газовой фазами принято называть поверхностью горения топлива. В целом вся зона, в которой происходит разложение компонентов топлива, называется реакционной зоной в конденсированной фазе [3, 4].

Завершающим третьим этапом является этап химического взаимодействия продуктов разложения топлива. Протекают реакции: 2H 2 +O 2 =2H 2 O; Cl 2 +H 2 =2HCl; 2OH+H 2 =2H 2 O; 2NO+C=N 2 +CO 2 ; 4Al+3O₂=2Al₂O₃ и др. Все эти реакции являются экзотермическими, при их протекании выделяется большое количество теплоты. Зона протекания экзотермических реакций называется реакционной зоной в газовой фазе [5].

Каждый слой топлива, начиная с поверхностного слоя заряда, последовательно проходит все три этапа, т.е. нагревается, разлагается, а затем продукты разложения химически реагируют друг с другом. Во времени эти процессы идут непрерывно, и зона горения перемещается в глубь топлива. При неизменных внешних условиях это перемещение происходит с постоянной скоростью – линейной скоростью горения. Именно с такой скоростью перемещается поверхность горения заряда.

Конечные высокотемпературные продукты сгорания в 2500-3200 К поступают в сопло 5 (рис. 1), где происходит преобразование части тепловой энергии в кинетическую энергию истекающего из сопла газового потока. Чем полнее протекают процессы преобразования энергии при прочих равных условиях, тем выше скорость истечения из сопла. А чем выше скорость на срезе, тем меньше потребуется расход топлива для создания заданной тяги.