3.3.1. Коэффициент избытка окислителя

Рассмотрим соотношение компонентов в двухкомпонентном топливе. Горючее содержит преимущественно элементы с электроположительной валентностью (С, Н, AI, В и др.), а окислитель - с электроотрицательной валентностью: О, CI, F и др. Окислитель и горючее применяют в определенном соотношении. Для обеспечения полного сгорания одного моля горючего - полного замещения валентностей горючих элементов валентностями окислительных элементов - требуется молей окислителя. Величину (молей окислителя/моль горючего) называют мольным стехиометрическим соотношением компонентов топлива.

Число свободных (незамещенных) электроположительных валентностей в одной молекуле горючего составляет , число свободных электроотрицательных валентностей в одной молекуле окислителя - , где v_i - валентность, - число атомов химического элемента в условной молекуле горючего и окислителя.

Тогда . (3.4)

Значению соответствует массовое стехиометрическое соотношение (кг окислителя/кг горючего) и объемное стехиометрическое соотношение (м³ окислителя/м³ горючего) компонентов топлива. Из определения следует, что , (3.5)

Рассмотрим пример вычисления стехиометрического соотношения компонентов топлива. Значение валентности некоторых элементов приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Топливо: окислитель - азотная кислота , молярная масса = 63,

горючее - этиловый спирт , молярная масса =46.

, , по (3.4) и (3.5) получим:

, .

Действительное соотношение компонентов в топливе ( или ) отличается от стехиометрического. Отношение величин или соответствующее стехиометрическому значению называют коэффициентом избытка окислителя:

(3.6)

Рассмотрим интервалы , используемые в ЖРД.

Рис 3.3 Зависимость температуры сгорания от

Интервалы изменения в агрегатах ЖРД:

<1 0,1-0,25 - отрицательный кислородный баланс - жидкостные генераторы газа (ЖГГ), жидкостные ракетные двигатели малой тяги (ЖРДМТ),

1,0 (0.5 - 0.95) - маршевые двигатели,

>1 10-20 - ЖГТ (положительный кислородный баланс).

В соответствии с реакционной способностью окислителя и горючего топлива разделяют на самовоспламеняющиеся и несамовоспламеняющиеся. Самовос-пламеняющиеся компоненты топлива во всем диапазоне эксплуатационных температур и давлений реагируют при контакте в жидкой фазе с выделением теплоты. Разогрев горючей смеси инициирует предпламенные экзотермические реакции, которые разогревают топлива до температуры кипения и выше, и происходит воспламенение. Характеризуются временем задержки воспламенения - временем от момента соприкосновения горючего и окислителя в жидкой фазе до появления пламени.

При несамовоспламеняющихся топливных парах специальной системой в момент запуска двигателя создается воспламенительный факел. От него воспламеняются первые порции топлива, поступающие в камеру, а последующие поджигаются продуктами сгорания предшествующих. По интервалу температур сохранения жидкого состояния топлива или их компоненты подразделяют на высококипящие и низкокипящие. Высококипящие - это компоненты, температура кипения которых выше 298 К. При эксплуатации на земле в обычных условиях они представляют собой жидкость и хранятся без потерь на испарение (или с малыми потерями). Низкокипящие компоненты при атмосферном давлении имеют температуру кипения ниже 298 К и находятся в газообразном состоянии.

Среди низкокипящих выделяют группу криогенных компонентов, температура кипения которых ниже 120 К. Такой компонент нельзя хранить как жидкость без принятия специальных мер. Криогенными являются сжиженные газы: кислород, водород, фтор, метан, пропан и др. Для уменьшения потерь на испарение и увеличения плотности возможно применение криогенного компонента в шугообразном (от англ. sugar) состоянии - в виде подвижной двухфазной смеси твердой и жидкой фаз этого компонента.

По физической и химической стойкости в течение длительного времени различают топлива длительного хранения или стабильные и топлива кратковременного хранения. Компоненты стабильных топлив имеют при максимальной температуре в условиях эксплуатации давление насыщенного пара ниже допустимого по условиям прочности баков, допускают хранение в баках ракеты без существенных потерь.

Окончательно сформулируем требования к жидким топливам:

1. Высокая баллистическая эффективность - большой удельный импульс и большая плотность топлива.

2. Благоприятные экологические свойства - нетоксичность компонентов и продуктов сгорания.

3. Неагрессивность компонентов топлива - отсутствие коррозионного действия на конструкционные металлы и разрушающего действия на неметаллические материалы.

4. Высокая температура кипения, низкая температура замерзания компонентов.

5. Малое значение вязкости (для условий подачи и смесеобразования), большая теплоемкость и теплопроводность компонентов (важно для организации тепловой защиты).

6. Высокая химическая и физическая стабильность компонентов в условиях хранения и применения ракеты.

7. Низкая стоимость компонентов - для справки: тонна жидкого водорода может стоить 10 000$.

8. Взрывобезопасность.

9. Продукты сгорания должны находиться в камере в газообразном состоянии. Ни одно топливо всем этим требованиям удовлетворить не может и проектировщики находят компромиссные решения в соответствии с целями создания ракетного комплекса путем проработки различных вариантов рецептур и имеющегося опыта создания и эксплуатации изделий.