Пример. Рассмотрим некоторые расчетные результаты для опорожнения гипотетического баллона со сжатым воздухом

Рассмотрим некоторые расчетные результаты для опорожнения гипотетического баллона со сжатым воздухом.

Исходные данные:

Параметр	Воздух	Гелий	Размерность
Объем баллона V б =	0,001	0,001	м3
Отношение теплоемкостей k=	1,4	1,66	-
Газовая постоянная R =	286,7		Нм/(кгК)
Начальная температура Т нач =			К
Начальное давление в баллоне р бн =			МПа
Конечное давление в баллоне р бк =			МПа

1. При изотермическом процессе опорожнения баллона от р _бн до р _бк получим массовое количество, отдаваемого газа в систему

Воздух:

m_г = (V _б/ RT)*(p _бн – p _бк) = 0,001*(30 – 1)*10⁶/(286,7*293) = 0,345 кг.

Гелий:

m_г = (V _б/ RT)*(p _бн – p _бк) = 0,001*(30 – 1)*10⁶/(2087*293) = 0,047 кг.

2. При адиабатическом процессе опорожнения баллона от р _бн до р _бк получим массовое количество, отдаваемого газа в систему

Воздух:

m_г = (V _б/ RT)* p _бн*(1 – (р _бк/ р _бн)^1/k) = 0,001*30*10⁶*0,912/(286,7*293) = 0,326 кг.

Гелий:

m_г = (V _б/ RT)* p _бн*(1 – (р _бк/ р _бн)^1/k) = 0,001*30*10⁶*0,912/(2087*293) = 0,045 кг.

Из расчетов видно, что при адиабатическом процессе опорожнения баллона отбирается меньшее количество газа, а так же и при увеличении газовой постоянной.

3. Рассмотрим изменение давления в баллоне при изменении температуры на ±60⁰. Закачиваем баллон при Т _нач = 293 К до давления р _бн = 30 МПа, тогда при:

- повышении температуры на 60⁰, Т = 273 + 60 = 333К получаем

р _бн = 30*333/293 = 34,1 МПа,

- понижении температуры на 60⁰, Т = 273 – 60 = 213К, получим

р _бн = 30*213/293 = 21,8 МПа.

Первое давление (34,1 МПа) необходимо закладывать в расет прочности баллона, второе давление (21,8 МПа) будет определять время работы системы. Это подтверждается следующими соображениями. Если баллон заправить сжатым воздухом до давления р _бн = 30 МПа при температуре 293К, а затем охладить до температуры 213К, то теперь начальное давление станет р _бн = 21,8 МПа и при опорожнении баллона от этого начального давления до требуемого конечного давления сможем получить при этом только 0,248 кг газа, а если иметь в виду, что при этом увеличится расход привода, то этот режим должен быть обязательно учтен при проектировании.

Рассматривая шаровой баллон как тонкостенный сосуд, находящийся под действием внутреннего даления р _б, в первом приближении можно для толщины стенок h записать следующее выражение

h = k ₃r_вн/(2σ),

где k _{3 –} коэффициент запаса (≈2)_, r _вн – внутренний радиус баллона, σ – предел прочности материала баллона. Внутренний радиус шарового баллона определяется соотношением

Полная масса источника сжатого газа m _исг естественно равна сумме массы газа и массы баллона

m _исг= m _r[1+((ρ _м RT * F (p _б))/σ)],

здесь ρ _м - плотность материала баллона, R – удельная газовая постоянная ,T – температура газа в баллоне.

Функция F (p _б) определяется давлением в баллоне p _б, запасом прочности k ₃,пределом прочности σ и при изменении давления p _б в диапазоне от 0 до 50 МПа, а предела прочности σ от 400 до 1000 МПа изменяется на 10%.

Приведенное выражение для массы ИСГ показывает, что она пропорциональна потребной массе газа, кроме того для баллона желательно применять материал с малой плотностью и большим пределом прочности, а также что предпочтительным является газ с меньшей газовой постоянной. В данном случае масса ИСГ составляет 1,5…3,0 потребной массы сжатого газа.

Нужно заметить, что меньшее количество газа в баллоне компенсируется меньшим потребляемым расходом газа

G _z = A _1mp_zФ(k)Ф(RT), -------

так как в выражение для расхода входит функция Ф(RT) = √1/(RT), то

соотношение времени работы автономной системы на воздухе t _рв и на время работы на гелии t _рг будут связаны соотношением квадратных корней из удельных газоваых постоянных

t_рг = t_рв (√R_в/√ R_г).

7 .3. Пороховые газогенераторы

ИСГ на основе порохового газогенератора состоит из последовательного соединения порохового газогенератора, ограничительного дросселя, фильтра и привода. В пороховом газогенераторе находится пороховой состав, который после зажигания равномерно горит при

определенных условиях в течении заданного времени работы t _р. Для организации горения пороха необходим ограничительный дроссель (Др), наличие которого обеспечивает горение с постоянной скоростью. Так как пороховые газы очень "грязные", то в схеме обязательно должен быть фильтр (Ф). Для предотвращения взрыва в пороховом ИСГ обычно предусматривают сбросной клапан (СК).

Ниже приводится временная диаграмма изменения давления в ИСГ. Источником энергии в данной схеме является пороховой газогенератор (ПГГ), в которм запасена и хранится положенное время энергия для работы схемы. ПГГ создает газ при сгорании порохового состава. Особенностью порохов является то, что в них имеется как горючее так и окислитель, которые до поры до времени мирно соседствуют. При превышении температуры выше температуры зажигания это мирное соседство нарушается и происходит горение.

Процесс горения в зависимости от рецептуры пороха может проходить бурно или достаточно пристойно. Последнее свойственно пороховым составам, применяемым в ПГГ.

В настоящее время в ракетной технике применяются два основных вида пороховых составов: баллистные и смесевые. Баллистные (коллоидные, гомогенные, двухосновные) имеют в качестве основы органические соединения, включающие богатые кислородом нитро- или нитратные группы. Таким образом в баллистном топливе и горючее (элементы С и Н) и окислитель (О) входят в структуру одной молекулы. Таким главным компонентом является нитроклетчатка, продукт нитрации целлюлозы. Вторым обязательным компонентом является растворитель (пластификатор), например нитроглицерин.

Смесевые твердые топлива представляют собой механическую смесь тонкоизмельченного минерального окислителя (например, перхлорат аммония), органического горючего-связки (например, каучук)и металлических добавок (например, алюминий).

Для описания процесса горения принято использовать гипотезу о послойном горении и закон скорости горения: зависимость скорости перемещения фронта горения от давления p гпороховых газов. На примере степенного закона горения можно записать для скорости перемещения фронта горения

где v oи параметры порохового состава, скорость гррения порохов, применяемых в газогенераторах, составляет около 1 см/сек.

dV/dt = A _ш*(dl/dt),

где в скобках есть не что иное как скорость горения (перемещения фронта). С учетом понятия плотности пороха r, получим для расхода

Расход газа через разделительный дроссель при условии сверхкритического истечения будет

Расходы газа естетсвенно равны

G ₁ = G ₂.

Если расходы не равны то газогенератор или погаснет или взорвется.

Так как показатель степени в законе скорости горения меньше единицы, то процесс горения пороха является устойчивым.

Графическое решение последнего уравнения приведено на рисунке. Так как показатель степени меньше единицы, то решение и, соответствеено, режим горения являются устойчивыми.

7 .4. ИСГ на основе гидразина

Источник сжатого газа на основе гидразина состоит из емкости или баллона с жидким гидразином (Бж), клапана или пирозатвора (ЭК) подачи гидразина, фильтра (Ф) и катализатора разложения (КР). К выходу ИСГ подключаются приводы.

Для начала работы ИСГ в баллон с жидкостью необходимо от какого-нибудь источника подать сжатый газ для вытеснения гидразина в катализатор разложения. Таким источником может быть пиропатрон. После начала работы часть газа после катализатора разложения может использоваться для дальнейшего вытеснения. Такая схема ИСГ приводится ниже.

На схеме обозначено: 1 - вытеснительная емкость, 2- полость для вытесняющего газа, 3 - пустая полость, 4 - полость с гидразином, 5,10- обратные клапаны, 6 - катализатор разложения, 7 - выходное устройство, 8 - выходной патрубок, 9 - регулятор давления, 11- сбросной клапан, 12 - пиропатрон. Пример исполнения катализатора разложения приводится ниже.

гидразин - хим. соединение водорода с азотом N₂H₄; бесцветная дымящая на воздухе ядовитая жидкость; применяется в производстве пластмасс, резины, входит в состав ракетного топлива.

Достижения химии за последние десятилетия в области разработки и создания ракетных топлив позволили существенно расширить ассортимент однокомпонентных топлив, способных удовлетворять самым жестким требованиям, предъявляемым к бортовым энергосистемам приводов ЛА. На базе этих достижений как в нашей стране, так и за рубежом появилось значительное количество принципиально новых типов бортовых ИСГ, способных работать на жидких топливах ракетного класса или их компонентах. Одним из основных достоинств этих ИСГ является сравнительная простота конструкции, возможность достижения широкого диапазона регулирования газопроизводительности и давления.

Применение жидких однокомпонентных топлив создает благоприятные условия для разработки и создания конструкции различных регулируемых ИСГ. Это прежде всего относится к источникам, работающим на однокомпонентных, каталитически или термически разлагаемых топливах. К числу таких топлив относятся гидразин и топливные композиции, созданные на его основе.

Однокомпонентный ИСГ, как источник газообразного рабочего тела, является регулируемой первичной теплоэнергетической установкой энергосистемы привода. Поэтому определяющим фактором при его разработке, проектировании, изготовлении и применении будут не только параметры генерируемого газа, но и свойства топлива, используемого в нем.

Основные требования, предъявляемые к топливам однокомпонентных ИСГ, можно сформулировать следующим образом. Топливо должно обладать большим запасом химической энергии и высокой плотностью, а продукты разложения топлива - хорошими термодинамическими свойствами (RT, R, k и т.д.).

Топлива, применяемые в энергосистемах приводов, должны иметь высокие конструктивные и эксплуатационные свойства. В соответствии с этими требованиями оцениваются физические свойства топлив: способность к разложению, самовоспламенению, пределы самовоспламеняемости, охлаждающие свойства, физико-химическая стойкость, взрывоопасность, агрессивность к конструкционным материалам, а также токсичность, температура кипения и, наконец, стоимость.

Столь многочисленные и подчас противоречивые требования одновременно удовлетворить невозможно. Поэтому определяющими свойствами топлива будут энергетические и эксплуатационные. Они и определяют конструкцию ИСГ и, в известной мере, энергосистемы в целом.

Особым вниманием отечественных и зарубежных разработчиков бортовых энергосистем приводов в последние годы пользуется гидразин и топливные композиции на его основе. Помимо хороших энергетических показателей газообразных продуктов разложения, возможности работать в широком диапазоне давлений при приемлемом теп-ловом и коррозионном воздействии на элементы конструкции привода, эти топлива имеют удовлетворительные физико-химические характеристики в жидком состоянии.

Учитывая специфические особенности большинства бортовых энерго-систем приводов, можно конкретизировать требования к однокомпонентным топливам:

-топливо должно быть химически и физически устойчиво при температурах окружающей среды в диапазоне - -70+ 50 °С в течении всего срока эксплуатации и хранения;

-температура разложения топлив и удельные тепловые потоки не должны вызывать нарушений работы ИСГ и привода из-за большой теплонапряженности с учетом длительности и цикличности работы на борту изделия;

-давление подачи топлива и давление в камере разложения ИСГ определяется из условий обеспечения статических и динамических характеристик потребителей с учетом кинетики химической реакции и стабильности процесса разложения.

Указанный перечень требований можно значительно расширить и детализировать, но это наиболее целесообразно проводить, учитывая требования каждого конкретного случая.

Процесс превращения исходного топлива в газообразное рабочее тело осуществляется в специальной реакционной камере - реакторе. Этот процесс происходит в результате экзотермической реакции разложения, которая основана на способности некоторых ракетных топлив или топливных смесей распадаться под воздействием внешних тепловых инициаторов или катализаторов. К числу этих топлив относятся гидразин, гидразингидрат, диметилгидразин, несимметричный диметилгидразин, аммиак, изопропилнитрат, окись этилена, перекись водорода и т.д.

Важной отличительной особенностью гидразина и топливных композиций на его основе является способность как к каталическому, так и к термическому разложению. При этом процесс перехода топлива из жидкого в газообразное состояние осуществляется за время порядка 10-5 - 10-6с. В обоих случаях процесс разложения устойчив и характеризуется постоянством давления, температуры, химического состава газа и т.д. Каталическое или термическое разложение дает возможность разработчикам энергосистемы привода заранее выбирать необходимый интервал температур, состав и параметры генерируемого газа, которые наиболее благоприятны для работы энергосистемы привода. Это достигается соответствующим подбором исходного топлива или топливной смеси и катализатора.

В случае термического разложения проводится необходимая доработка узла разложения реакционной камеры.

Процесс каталического разложения гидразина начинается при температуре катализатора, соизмеримой с температурой окружающей среды.

Термическое разложение гидразина начинается при температуре узла разложения большей 230 °С при отсутствии катализатора, т.е. требуется начальный подогрев.

В обоих случаях температура продуктов разложения, практически мгновенно, достигает своего конечного значения.

Гидразин может разлагаться по схеме

3N₂H₄ = 4NH₃ + N₂

4NH₃ = 2N₂+ 6H₂ (диссоциация аммиака)

Параметры продуктов разложения гидразина зависят от степени его разложения на конечные продукты (H₂, N₂). При полном разложении гидразина на H₂ и N₂ выделяется 1580 кдж/кг тепла и продукты разложения имеют температуру 870 °К.

В соответствии с условиями процесса вторая реакция (диссоциация аммиака) может идти не полностью, тогда в продуктах разложения содержится аммиак, что влияет на значение температуры генерируемого газа (Т) и параметра RT продуктов разложения.

Примером реактора может быть конструкция с комбинированным пакетом гранулированного нихрома с добавками металлического катализатора и набором брикетов, спрессованных из нихромовой проволоки.

Требования к ИСГ обычно определяются и устанавливаются техническим заданием (ТЗ). Разработка ТЗ проводится на основании анализа существующих и перспективных образцов ИСГ, расчета требуемых энерговесовых характеристик, анализа и моделирования привода, проработки различных конструктивных вариантов источника энергии, анализа условий работы и т.д.

Важным этапом в разработке ТЗ является моделирование. Оно позволяет уточнить параметры привода и источника, а также оценить их взаимовлияние.

По результатам моделирования проводится уточнение параметров энергосистемы привода и источника энергии, которое позволяет сформулировать основные требования к бортовому ИСГ.

Гидразин сгорает на воздухе, причем эта реакция сильно экзотермична и приводит к образованию газообразных продуктов:

NH₂-NH₂ + O₂ N₂ + 2H₂O + 149,5 ккал/моль

Это, а также упомянутые выше физические свойства определили применение гидразина в качестве ракетного топлива. Как окислители в ракетах применяют жидкий кислород или перекись водорода, а также азотную кислоту или еще лучше жидкий тетроксид азота:

2(NH₂-NH₂) + N₂O₄ 3N₂ + 4H₂O

Кроме самого гидразина ракетными топливами служат и его метильные гомологи - метилгидразин CH₃NH-NH₂ и диметилгидразин (CH₃)2N-NH₂, сочетающие в своих молекулах преимущества углеводородного топлива с достоинствами производных гидразина. Горючее на основе гидразинов применяется в мощных двигателях всех ступеней гигантских ракет-носителей. Например, во второй ступени четырехступенчатой ракеты, выведшей индийский спутник на орбиту в 1994 году, было сожжено 37 т диметилгидразина в смеси с тетраоксидом азота. С помощью двигателей, работавших на диметилгидразине, были произведены посадка и взлет лунной кабины системы "Аполлон" при высадке человека на Луну.

Космические системы, такие, как "Галилей"и "Кассини", оборудованы двигателями для коррекции орбиты, которые работают на гидразине и его гомологах. Например, 133 кг гидразина обеспечивают девятилетнюю работу в космосе двигателей телескопов "Шаттла". В таких двигателях используют или двухкомпонентное топливо на основе гидразинов (которое самопроизвольно вспыхивает, попадая в двигатель), или один гидразин, который мгновенно разлагается при контакте с предварительно нагретым металлическим катализатором. Происходящее при этом диспропорционирование - другое важное свойство гидразина, вызванное малой прочностью его молекулы:

3N₂H₄ = 4NH₃ + N₂

Гидразин используют также как полупродукт в производстве ядохимикатов и лекарств, волокон и антиоксидантов, для удаления кислорода из нагревательных систем, как катализатор полимеризации, средство для продувки технологических установок, при нанесении металлических покрытий на стекло и пластик, в фотографии и при газоочистке, а гидразин-сульфат - при очистке редких металлов, как антиоксидант в производстве легких металлов, как фунгицид (средство борьбы с грибками - сельскохозяйственными вредителями), при анализах крови.

Неудивительно, что еще в 1974 году в США было произведено свыше 17 тыс. т гидразина, причем производство как самого гидразина, так и его метильных гомологов непрерывно растет, что, кстати, уже вызвало появление существенной экологической проблемы хранения, транспортировки и ликвидации отходов этих веществ, обладающих сильным физиологическим действием и высокой токсичностью.