Навигация
Механизм горения жидких топлив
27781
знак
2
таблицы
0
изображений
2. Механизм горения жидких топлив.
В ходе устойчивого горения окислителя и горючего в камере сгорания ракетного двигателя образуются горячие газообразные продукты истечения. Ламбирис и другие предложили физическую картину горения в двухкомпонентном ракетном двигателе; они выделили две зоны: одну – у смесительной головки и другую – ниже ее по потоку. Сталкивающиеся струи окислителя и горючего образуют веерообразные факелы распыла, которые при последующем столкновении разбиваются на струйки и, наконец, на отдельные капли. Веерообразные факелы распыла разных компонентов при столкновении образуют зоны, в которых каждый компонент присутствует в виде жидкостных сгустков крупных и мелких капель. Впрыскиваемые струи, сгустки и капли окружены горячими газами, частично диссоциированными и способными реагировать с парами обоих компонентов, передавать тепло жидким окислителю и горючему, вызывая их нагрев и испарение, и оказывать аэродинамическое воздействие на жидкие частицы, усиливая их дробление и испарение, увеличивая осевую скорость. Активизация взаимодействия между жидкостью и горячими газами приводит к дополнительному газовыделению. Часть этих газов циркулирует вблизи смесительной головки, поддерживая определенные температуру и состав в этой зоне, а остальной газ ускоряется и истекает через сопло со сверхзвуковой скоростью.
В зоне у смесительной головки происходят быстрые изменения в распределении и дроблении жидких компонентов и как следствие наличествуют значительные градиенты состава, температуры и давления. При этом возникает квазиустойчивое состояние, определяемое геометрией смесительной головки и условиями ее работы: расходом топлива, давлением в камере сгорания и соотношением компонентов. В общем, распыливание струй и дробление капель в сочетании с реакциями в парогазовой фазе являются доминирующими процессами, но могут происходить и реакции в жидкой фазе (последнее зависит от свойств компонентов топлива и условий в камере сгорания). Фотоснимки зоны смешения и горения подтверждают наличие значительных градиентов даже при устойчивой работе камеры на участке шириной, по меньшей мере, 10 см.
На некотором осевом расстоянии от смесительной головки оба компонента топлива уже полностью распылены и хорошо перемешаны, так что коэффициент соотношения компонентов становится постоянным по всему поперечному сечению камеры сгорания; выравнивается и состав газовой фазы. Так как объем жидких компонентов в камере сгорания составляет лишь малую толику объема горячих газов (порядка 1%), вероятность соударения капель и их взаимодействия в факелах распыла пренебрежимо мала. Таким образом, в зоне смешения капли обоих компонентов ускоряются потоком окружающего их горячего газа. Теплопередача от горячего газа к жидким каплям вызывает испарение последних. Образующиеся пары перемешиваются и реагируют с окружающим газом с образованием дополнительных продуктов сгорания; вдоль камеры в направлении к соплу создается газовый поток. Аэродинамические силы ускоренного газа в некоторых случаях могут вызвать вторичное распыливание капель жидкости. После завершения процесса испарения течение потока определяется законами газовой динамики.
При устойчивом горении скорость перехода жидких компонентов в горячие газы обычно определяется процессами теплообмена и массообмена в условиях вынужденной конвекции, но для некоторых сочетаний компонентов определяющими могут стать химические реакции в газовой фазе.
Переход от зоны горения к зоне упорядоченного течения газа обычно плавный и не имеет четкой границы; даже в одном и том же двигателе она может смещаться в зависимости от условий работы.
3. Экологические проблемы эксплуатации РН.
В настоящее время на фазе предстартовой подготовки полета разработаны эффективные мероприятия, позволяющие существенно снизить экологическую нагрузку на окружающую среду. Например, процессы нейтрализации паров и жидкой фазы окислителя с помощью поглотителей, дожигание горючего в специальных аппаратах и т. д.
На остальных фазах выведения космических аппаратов на орбиту существует ряд проблем экологии, требующих своего разрешения. Прежде всего, это загрязнение атмосферы и космического пространства продуктами сгорания и компонентами топлива ( для нештатной ситуации). На экологическое состояние всех слоев атмосферы основное влияние оказывают продукты сгорания, состав которых определяется компонентами топлива. В стратосфере движение ракетоносителя связано с проблемой нарушения озонового слоя. При полете любой ракеты-носителя в озоновом слое возникает «окно», которое со временем затягивается. Разрушение озонового слоя определяется следующими процессами. Озон разрушается в результате воздействия водяных паров продуктов сгорания ракетных топлив, а также окислов азота, образующихся из азота и кислорода воздуха под воздействием высоких температур в факелах ракетных двигателей. В следе ракеты озон разрушается полностью на всех высотах. В общем, с учетом всех процессов одиночный запуск ракеты-носителя типа «Энергия» приводит к уменьшению концентрации озона по траектории полета на 1.7%. В ионосфере антропогенное воздействие прохождения ракеты-носителя проявляется в образовании так называемых ионосферных «дыр» вблизи следа ракеты. Ионосферная «дыра» - это результат взаимодействия воды, находящейся в продуктах сгорания, с ионосферной плазмой. Кроме ионосферных «дыр», на высотах 70-90 км, где наиболее низкая температура атмосферы, молекулы воды конденсируются и образуют кристаллики льда. В результате образуются искусственные облака, наподобие естественных серебристых облаков. Искусственные серебристые облака и зоны ионосферных «дыр» с пониженной плотностью электронов вызывают различного рода аномалии в области свечения ионосферы, распространения электромагнитных колебаний в оптическом и радиодиапазонах т. п. Кроме загрязнения окружающей среды продуктами сгорания выхлопная струя оказывает механическое воздействие на тропосферу, приводящее к образованию мощных вихревых потоков в приземном слое. Такие вихревые образования могут являться очагами смерчей, ураганов и т. п. Существенной экологической проблемой при эксплуатации РКТ является необходимость отчуждения значительной поверхности Земли для обеспечения безопасности ее жителей при падении отработавших ступеней РН и других отделяющихся элементов конструкции на территории, расположенные вдоль трасс пусков.
В процессе вывода объекта на орбиту после выработки топлива последовательно отделяются: стартовые ускорители, ступени, сбрасываются головные обтекатели, переходные отсеки последующих ступеней и т. д. Все указанные элементы различаются по массе и конфигурации, имеют различные аэродинамические характеристики, отделяются в разное время полета и на различной удаленности от точки старта, что приводит к значительному рассеиванию по поверхности Земли. Следующей экологической проблемой является проблема засорения околоземного космоса фрагментами ракетно-космической техники. В литературе эту проблему называют проблемой «космического мусора». По некоторым данным на начало 1991 года в космосе находилось около 7200 наблюдаемых объектов искусственного происхождения, причем лишь 5% из них – действующие космические аппараты. Основная опасность «космического мусора» связана с высокими скоростями столкновения орбитальных фрагментов с КА. В космосе частица диаметром 0.5 мм может пробить космический скафандр, даже если он изготовлен из многослойного материала. Наряду с механическим загрязнением космоса серьезную опасность представляют возможные аварии и отказы КА с радиоизотопными и ядерными энергоустановками на борту. В настоящее время имеются проекты и предложения по решению некоторых задач перечисленных выше проблем экологии при эксплуатации РКТ. В США ведутся работы по созданию одноступенчатого национального аэрокосмического самолета, снабженного многорежимной двигательной установкой, позволяющего доставлять объекты в космос и обратно с минимальной экологической нагрузкой на атмосферу и космос. Аналогичные проекты имеются и в России. Однако решение перечисленных проблем находится лишь в начальной стадии.
Похожие работы
... боеприпасов на открытых площадках загрязнение воздуха неизбежно и предотвратить его практически невозможно. По некоторым данным, которые приводились в докладах на конференциях по проблемам утилизации боеприпасов, ущерб от уничтожения существующих в настоящее время списанных боеприпасов составил бы около 60 млн. руб. (в ценах 1992 г.) [2]. Таким образом, все изложенные выше отрицательные аспекты ...
... для традиционной энергетики (Менеджмент …, 2007). Глава 3. Химическая промышленность Эта отрасль народного хозяйства, производящая различные виды химической продукции для всех отраслей промышленности, с/х, сферы потребления. Влияние химических предприятий на окружающую среду зависит от применяемого сырья, технологии, используемой аппаратуры и оборудования, планировочных решений внутри ...
... или технологических процессов; – при выборе технического решения обеспечить малоотходность производства и максимальную эффективность использования энергоресурсов. Задачи специалиста в области безопасности жизнедеятельности сводятся к следующему; – контроль и поддержание допустимых условий (параметры микроклимата, освещение и др.) жизнедеятельности человека в техносфере; – идентификация ...
... контроля за состоянием окружающей среды, при контроле состояния окружающей среды недостаточно полно используются современные информационные технологии, в связи с чем основные направления совершенствования системы управления охраной окружающей среды в Юго-Западном районе должны быть сосредоточены именно в сфере информатизации данного процесса. 2. Исследование методов оценки загрязнения окружающей ...
0 комментариев