УДЕЛЬНЫЙ ИМПУЛЬС ЖРД, ВОЗМОЖНОСТИ ЕГО ПОВЫШЕНИЯ

SPECIFIC IMPULSE OF A LIQUID ROCKET ENGINE, THE POSSIBILITY OF ITS INCREASE

Nikolay Kaushan

student, Department of Aircraft Engines, Reshetnev Siberian State University of Science and Technology,

Russia, Krasnoyarsk

АННОТАЦИЯ

В качестве цели настоящей статьи определена необходимость повышения удельного импульса жидкостных ракетных двигателей. В основе этих процессов, рассматриваемых в данной статье, представлены добавки различных металлов в топливо, выделены особенности применения алюминия, титана.  В качестве метода использованы общенаучные методы анализа, обобщения, сравнения. Результаты научных изысканий позволили говорить о необходимости совершенствования состава топлива для жидкостных ракетных двигателей, возможностях конструктивных изменений с целью повышения удельного импульса.

ABSTRACT

The purpose of this article is to determine the need to increase the specific impulse of liquid rocket engines. At the heart of these processes, considered in this article, additives of various metals in fuel are presented, the features of the use of aluminum and titanium are highlighted. General scientific methods of analysis, generalization, and comparison are used as a method. The results of scientific research made it possible to talk about the need to improve the composition of fuel for liquid rocket engines, the possibilities of design changes in order to increase the specific impulse.

Ключевые слова: жидкостный ракетный двигатель; алюминий, титан, удельный импульс.

Keywords: liquid rocket engine; aluminum, titanium, specific impulse.

Повышение удельного импульса относится к первоочередным задачам, которые решаются при создании новых ЖРД и модернизации эксплуатируемых двигателей. Удельный импульс является важнейшим параметром жидкостного ракетного двигателя, характеризующим эффективность жидкого ракетного топлива и совершенство конструкции двигателя. От величины удельного импульса в конечном счёте зависит весовая отдача ракетной системы. В настоящее время актуальной задачей является увеличение удельного импульса ЖРД при минимальных экономических затратах, то есть с использованием уже отработанной технологии создания двигателей.

Существуют различные способы повышения эффективности жидких ракетных горючих, которые влияют на удельный импульс ЖРД. Возможности повышения удельного импульса ЖРД связаны с исследованием характеристик горения смесевых композиций, содержащих алюминий и бор [2, с.131-135]. Специалисты анализируют влияние содержания бора на параметры горения высокоэнергетического материала на основе перхлората аммония, бутадиенового каучука, порошка алюминия и титана [5, с. 3-8]. А. Г. Коротких предлагает использовать нанопорошки с содержанием алюминия и титана. Экспериментальным путем установлено, что при использовании добавок титана, удельный импульс возрастает значительно.

Специалисты изучают влияние величины энтальпии образования, содержания водорода и коэффициента насыщенности кислородом органического окислителя ракетных топлив на оптимальную величину удельного импульса ЖРД [1, с. 48-52]. Е.М. Дорофеенко отметил, что максимальные величины удельного импульса в композициях без металла и с металлом зависят от бинарных составов топлив, содержащих высокоэнтальпийный органический окислитель и связующее.

Специалисты изучают основные принципы работы ЖРД с использованием алюминия и водорода в качестве добавки в камеру сгорания [3, с. 65-67]. Алюминий в качестве добавки к жидкому топливу для повышения удельного импульса уступает титану, литию и бериллию, однако, алюминий – это более доступный металл, добыча которого значительно менее дорогостоящая.

Выявлено, что если нанопорошок алюминия добавить непосредственно в жидкое углеводородное топливо, то при некотором времени хранения поверхность наночастиц алюминия оксидируется растворенным в топливе кислородом, и при прогреве частиц в составе жидкого углеводородного топлива произойдет лишь частичное вскипание и атомизация алюминия. Твердый оксид алюминия поверхностного слоя не участвует в процессе горения, что приводит к снижению теплового эффекта реакций горения.

Специалисты отмечают необходимость предотвращения окисления при помощи покрытия наночастиц алюминия атиоксидантным протектором. В качестве такого протектора может быть использован карбид бора (ВС) либо борид алюминия (AlB2) с толщиной покрытия 2-5 нм. Покрытие предотвращает оксидирование наночастиц кислородом, в том числе растворенным в углеводородном топливе, способствует вскипанию и атомизациии алюминия при собственном сгорании, давая к тому же дополнительный тепловой эффект по сравнению с керосином

Выявленная проблема отражена в работе Г.П. Кузнецова [6, с. 112-115], где рассмотрены особенности использования Бора и Алюминия в ЖРД. Основным продуктом горения алюминия является оксид алюминия (Al2O3), который практически не существует в газовой фазе. Это обусловливает эффективность его применения в высокотемпературных топливах. Автор отметил перспективы использования бора не только в качестве энергетической добавки, но также в качестве дополнительного источника рабочего тела. Существенным недостатком бора является трудность воспламенения его частиц, это может приводить к неполноте его сгорания в двигателе или энергетической установке. Эффективность использования металлического горючего алюминия для достижения высоких энергетических характеристик реализуется в высокотемпературных составах при адиабатической температуре горения порядка 2500 К и выше [2, с.131-135].

В целом специалисты указывают на металлосодержащее горючее в качестве предпочтительного [4, с. 156-157]. Данное горючее имеет энергетические возможности, которые привлекают внимание и являются перспективными для конструкций ЖРД. Однако специалисты рассматривают и возможности конструктивных изменений для повышения удельного импульса.

Улучшение конструктивных особенностей двухконтурного щелевого сопла ракетного двигателя позволяет улучшить тяговые характеристики двигателя [7, с. 56-72]. В.В. Семенов провел сравнительный анализ тяговых характеристик высотного гладкого круглого сопла и высотного щелевого сопла с изломом контура (двухконтурного щелевого сопла).

Все указанные предложения пока недостаточно востребованы, изыскания в этой сфере следует продолжать, но уже сейчас можно говорить о том, что предлагаемое металлосодержащее горючее позволяет не только увеличить удельный импульс тяги, но и обеспечивает простоту и надежность их подачи в камеру сгорания.

Список литературы:

1. Дорофеенко Е.М., Лемперт Д.Б. Зависимость оптимального состава ракетного топлива без металла с максимально достижимой величиной удельного импульса от элементного состава и энтальпии образования окислителя // Химическая физика. – 2021. – Т. 40. – № 3. – С. 48-52.
2. Енков М.О., Горбенко Т.И., Горбенко М.В. Исследование характеристик горения смесевых композиций, содержащих алюминий и бор // X Всерос. научная конф. с междунар. участием «Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики -2020»: Материалы конференции (Томск, 18–20 ноя.. 2020 г.). – Томск: Издательство «Красное знамя», 2021. – С. 131-135.
3. Зинатов А. Ю. Оценка различных способов повышения эффективности топлива ЖРД // Аллея науки. – 2020. – Т. 2. – № 6(45). – С. 65-67.
4. Злобина Е.А., Колегов Р.М. Повышение удельного импульса ЖРД за счёт металлосодержащего горючего // Решетневские чтения. – 2015. – Т. 1. – С. 156-157.
5. Коротких А.Г., Сорокин И.В. Влияние бора на параметры горения ВЭМ и окисление нанопорошков Al/B, Ti/B // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2021. – Т. 64. – № 4(761). – С. 3-8.
6. Кузнецов Г.П., Колесников-Свинарёв В.И., Ассовский И.Г. О горении алюминия, бора и их композиции в кислородсодержащих средах // Горение и взрыв. – 2017. – Т. 10. – № 2. – С. 112-115.
7. Семенов В.В., Иванов И.Э., Крюков И.А. Двухконтурное щелевое сопло ракетного двигателя // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. – 2016. – № 46. – С. 56-72.