УДК 621.454.2

Сравнение топливных пар жидкостных ракетных двигателей по энергетическим и термическим характеристикам

Савиных Алексей Александрович – студент факультета Ракетно-космической техники Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» имени Д. Ф. Устинова.

Грициенко Георгий Васильевич – студент факультета Оружия и систем вооружения Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» имени Д. Ф. Устинова.

Марк Максим Александрович – студент факультета Ракетно-космической техники Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» имени Д. Ф. Устинова.

Погорелов Максим Алексеевич – студент факультета Ракетно-космической техники Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» имени Д. Ф. Устинова.

Скрыпкин Кирилл Алексеевич – студент факультета Ракетно-космической техники Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» имени Д. Ф. Устинова.

Юрьев Виктор Алексеевич – студент факультета Оружия и систем вооружения Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» имени Д. Ф. Устинова.

Аннотация: Объектом исследования являются топливные пары «керосин + кислород», «кислород + водород», «АТ + НДМГ», «метан + кислород», «ММГ + АТ», «фтор + аммиак», «фтор + водород», «НДМГ + АК», «керосин + АК», «НДМГ + Кислород». Цель работы – проведение расчетов для топливных пар, анализ полученных результатов и сравнение характеристик топлив. В процессе работы производились расчеты в программе «Termoras», построение и анализ полученных зависимостей. В результате были получены закономерности изменения характеристик при горении исследуемых топлив, установлены параметры при оптимальном коэффициенте избытка окислителя, а также сделаны выводы относительно использования каждой из топливных пар.

Ключевые слова: топливная пара, жидкостные ракетные двигатели, «керосин + кислород», «кислород + водород», «АТ + НДМГ», «метан + кислород», «ММГ + АТ», «фтор + аммиак», «фтор + водород», «НДМГ + АК», «керосин + АК», «НДМГ + Кислород», удельный импульс, температура в ядре камеры сгорания.

Введение

В результате научно-технического скачка, случившегося в XX столетии, в направлении ракетостроения появились две основные группы ракетных двигателей, классифицируемых по топливу. Первые это твердотопливные двигатели, использующие шашки баллиститного или смесевого топлива, вторые – жидкостные ракетные двигатели (ЖРД). В текущей работе речь пойдет именно о вторых.

В качестве топлива ЖРД используются различные комбинации топливных пар – двухкомпонентное топливо (редко трехкомпонентное) или же унитарные топлива – однокомпонентное. Топливо является основой энергетической составляющей двигателя, определяющей спектр задач, которые может выполнить двигатель. Таким образом, чрезвычайно важно правильно выбрать компоненты топлива для работы двигателя. При этом стоит понимать, что у каждого компонента и тем более топливной пары есть свои физико-химические особенности, от которых также зависит спектр применения в тех или иных случаях.

В данной работе предлагаем рассмотреть основные имеющиеся на сегодняшний день топливные пары (именно пары, так как двухкомпонентное топливо с энергетической точки зрение сильно превосходит однокомпонентное топливо) используемые в ракетных двигателях разных стран и с помощью программы «Termoras» сравним энергетическую и термическую составляющие.

Исходные данные

С учетом того, что широкое развитие ракетные двигатели получили в XX веке, то неудивительно, что и в развитие топлива для ЖРД основные шаги были сделаны еще в прошлом столетии. Поэтому, мы можем наблюдать, что большая часть используемых топливных пар на современных ЖРД применяются уже не одно десятилетие.

Таким образом, рассмотрим уже известные и широко используемые топливные пары: «керосин + кислород» (применяемой на РД-107, РД-0110, 11Д58, РД-180, РД-191, а также на американских Merlin 1D, F-1, RS-27A и китайских двигателях серии TH), «кислород + водород» (применяемой на РД-0120, РД-0150, РД-0146, а также американских J-2, RS-25, TR-106), «АТ + НДМГ» - азотный тетраоксид и несимметричный диметилгидразин (применяемой на 8Д44, РД-250, РД-253, РД-270). Помимо этого разберем:

• современную топливную пару «метан + кислород», которая активно внедряется вместо пары «керосин + кислород» и уже используется на РД-0169, РД-182, американских Raptor и Blue Engine 4, а также китайских двигателях серии TQ;
• давно известную, но редко используемую топливную пару «ММГ + кислород» (монометилгидразин и кислород), применяемую на американском Draco;
• перспективные топливные пары с окислителем на основе фтора: «фтор + аммиак», используемый на РД-301, и «фтор + водород»;
• ряд известных, но используемых в основном в индивидуальных случаях, топливных пар: «НДМГ + АК» (АК - азотная кислота), «Керосин + АК», применяемую активно только на 5Д67, а также «НДМГ + Кислород».

Краткая характеристика всех компонентов приведена в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики топливных компонентов.

Для расчета с помощью программы «Termoras» нам необходимо указать энтальпии компонентов топлива, давление в камере сгорания (КС) и на срезе сопла, коэффициент избытка окислителя. Для справедливости расчета примем одинаковые условия: давление в КС равно 10 МПа, давление на срезе сопла равно 0,07 МПа. Расчет будем проводить для диапазона коэффициента избытка окислителя от 0 до 1,5 с шагом 0,1. В таком случае нам необходимо для расчета каждой топливной пары указывать лишь компоненты и их энтальпии.

Для исследуемых компонентов топлива энтальпии приведены в таблице 2.

Таблица 2. Энтальпии компонентов топлив.

Результаты расчета

Результаты расчетов в программе «Termoras» для исследуемых топливных пар представлены на рисунках 1-10. Для каждой топливной пары определим оптимальное значение коэффициента избытка окислителя с энергетической точки зрения, то есть, руководствуясь значением максимума удельного импульса.

Рисунок 1. Зависимость удельного импульса Is [м/с] и температуры в ядре камеры сгорания Т [К] от коэффициента избытка окислителя α для топливной пары «Керосин + Кислород».

Оптимальный коэффициент избытка окислителя для топливной пары «Керосин + Кислород» - 0,8 (рис. 1).

Рисунок 2. Зависимость удельного импульса Is [м/с] и температуры в ядре камеры сгорания Т [К] от коэффициента избытка окислителя α для топливной пары «Кислород + Водород».

Оптимальный коэффициент избытка окислителя для топливной пары «Кислород + Водород» - 0,5 (рис. 2).

Рисунок 3. Зависимость удельного импульса Is [м/с] и температуры в ядре камеры сгорания Т [К] от коэффициента избытка окислителя α для топливной пары «АТ + НДМГ».

Оптимальный коэффициент избытка окислителя для топливной пары «АТ + НДМГ» - 0,9 (рис. 3).

Рисунок 4. Зависимость удельного импульса Is [м/с] и температуры в ядре камеры сгорания Т [К] от коэффициента избытка окислителя α для топливной пары «Метан + Кислород».

Оптимальный коэффициент избытка окислителя для топливной пары «Метан + Кислород» - 0,8 (рис. 4).

Рисунок 5. Зависимость удельного импульса Is [м/с] и температуры в ядре камеры сгорания Т [К] от коэффициента избытка окислителя α для топливной пары «ММГ + АТ».

Оптимальный коэффициент избытка окислителя для топливной пары «ММГ + АТ» - 0,9 (рис. 5).

Рисунок 6. Зависимость удельного импульса Is [м/с] и температуры в ядре камеры сгорания Т [К] от коэффициента избытка окислителя α для топливной пары «Фтор + Аммиак».

Оптимальный коэффициент избытка окислителя для топливной пары «Фтор + Аммиак» - 1,0 (рис. 6).

Рисунок 7. Зависимость удельного импульса Is [м/с] и температуры в ядре камеры сгорания Т [К] от коэффициента избытка окислителя α для топливной пары «Фтор + Водород».

Оптимальный коэффициент избытка окислителя для топливной пары «Фтор + Водород» - 0,5 (рис. 7).

Рисунок 8. Зависимость удельного импульса Is [м/с] и температуры в ядре камеры сгорания Т [К] от коэффициента избытка окислителя α для топливной пары «НДМГ + АК».

Оптимальный коэффициент избытка окислителя для топливной пары «НДМГ + АК» - 0,9 (рис. 8).

Рисунок 9. Зависимость удельного импульса Is [м/с] и температуры в ядре камеры сгорания Т [К] от коэффициента избытка окислителя α для топливной пары «Керосин + АК».

Оптимальный коэффициент избытка окислителя для топливной пары «Керосин + АК» - 0,9 (рис. 9).

Рисунок 10. Зависимость удельного импульса Is [м/с] и температуры в ядре камеры сгорания Т [К] от коэффициента избытка окислителя α для топливной пары «НДМГ + Кислород».

Оптимальный коэффициент избытка окислителя для топливной пары «НДМГ + Кислород» - 0,8 (рис. 10).

Анализ результатов

Полученные данные при оптимальном коэффициенте избытка окислителя для топливных пар приведены в таблице 3.

Таблица 3. Результаты расчета топливных пар при оптимальном коэффициенте избытка окислителя.

Из таблицы 2 мы видим:

• замена топливной пары «керосин + кислород» на «метан + кислород» действительно целесообразна, так как с точки зрения энергетической и температурной составляющей они равноценны, но при этом метановое топливо имеет преимущества в экологичности, неограниченности запаса и стоимости;
• топливные пары «АТ + НДМГ» и «ММГ + АТ» имеют наименьшие значения удельного импульса, однако по-прежнему востребованы в связи с важным качеством – самовоспламеняемостью топлива, которое отсутствует у топливных пар «керосин + кислород», «кислород + водород» и «метан + кислород». Также стоит отметить, что, несмотря на вновь равнозначные показатели удельного импульса и температуры у топливных пар «АТ + НДМГ» и «ММГ + АТ», широкое распространение получила всё-таки пара «АТ + НДМГ» за счет лучших качеств хранения;
• очень эффективна пара «кислород + водород», практически наибольший импульс при наименьшей температуре, однако низкая плотность водорода нередко оказывает серьезное влияние на выбор в пользу другой топливной пары на первых ступенях ракеты;
• топливные пары с фтором в качестве окислителя также очень перспективны, но высокая токсичность, коррозионная активность и необходимость сложных схем охлаждения в камере сгорания в связи с максимальными температурами пока не дают этим топливным парам быть широко востребованными;
• топливные пары с окислителем на основе АК имеют достаточно низкие показатели удельного импульса в сравнении с остальными и довольно токсичны, поэтому широкого применения не нашли, однако в индивидуальных случаях в ЖРД могут применяться;
• «НДМГ + Кислород» - топливная пара, имеющая хорошие энергетические и термические показатели, однако из-за наличия более экологичных и дешевых «Керосин + Кислород» и «Метан + Кислород» на серийном уровне не применяется.

Заключение

При анализе расчетов, выполненных с помощью программы «Termoras», нами были выявлены все основные преимущества и недостатки исследуемых топливных пар.

С учетом продолжающегося развития технологий и открытия новых элементов, возможно скорое изобретение совершенно новой наиболее эффективной и наименее требовательной топливной пары, но пока этого не случилось, у нас есть возможность устранить недостатки рассмотренных топлив, в особенности перспективных – «фтор + водород» и «кислород водород» и вывести, благодаря этому, развитие ракетостроения и последующего освоение космоса на новый уровень.

Список литературы

1. Анискевич Ю.В., Левихин А.А. Основы устройства и теории ЖРД: учебное пособие / Балт. гос. техн. ун-т. – СПб., 2016 – 118 с.
2. Гахун Г.Г., Баулин В.И., Володин В.А. Конструкция и проектирование жидкостных ракетных двигателей: учебник для вузов / М.: Машиностроение, 1989 – 424 с.
3. Левихин А.А., Юнаков Л.П. Рабочие тела и топлива ракетных двигателей: учебное пособие / Балт. гос. техн. ун-т. – СПб., 2015 – 78 с.
4. Штехер М.С., «Топливо и рабочие тела РД» / М. С. Штехер, М.: Машиностроение, 1976. – 304 с.
5. Сага о ракетных топливах // URL: https://habr.com/ru/articles/401795/
6. Справочник по авиационным и ракетным керосинам // URL: https://www.free-inform.ru/pepelaz/kerosene.htm.