Термодинамические расчеты продуктов сгорания БТТ

Определение плотности и энтальпии образования БТТ

Выполнение расчетной части лаб. раб. начинается с определения условной формулы и плотности БТТ.

В лаб. раб. состав топлива задан в виде совокупности исходных веществ и их относительных массовым содержанием . Для примера рассмотрим топливо, компоненты которого указаны в таблице 2.1.

 

Таблица 2.1. Пример состава БТТ для выполнения расчетной части лаб. раб.

Компонент	Хим. формула
Нитроцеллюлоза (N12,6%)			-2650
Октоген			+250
Алюминий
Пентаэритриттринитрат			-2070
Дибутилфталат			-3030
Этилцентралит			-500

Зная свойства входящих в состав БТТ компонентов требуется определить энтальпию образования и плотность топлива:

Определение условной формулы БТТ

Для определения условной формулы топлива воспользуемся известной методикой, реализация которой состоит из нескольких последовательных действий:

1. Расчет молекулярных масс перечисленных компонентов БТТ, с использованием справочных данных по атомным массам химических элементов:

2. Определение количества молей компонентов в единице массы БТТ:

3. Определение количества молей каждого химического элемента в единице массы.

Для первого компонента:

Для второго компонента:

Для третьего компонента:

Для четвертого компонента:

Для пятого компонента:

Для шестого компонента:

Согласно процентному составу топлива в 1 кг будет содержаться:

Исходя из полученных данных условная химическая формула твердого топлива может быть записана в виде:

4. В качестве проверки рекомендуется определить молекулярную массу топлива, которая должна составлять 1кг:

Термодинамические расчеты продуктов сгорания БТТ

После определения условной химической формулы требуется произвести термодинамические расчеты, которые направлены на определение характеристик и состава продуктов сгорания БТТ в камере сгорания для широкого диапазона условий эксплуатации РДТТ. Расчеты выполняются с помощью программы «Астра, либо Терра». Для этого в соответствующих полях программы вводится условная формула БТТ и термодинамические параметры равновесия в камере сгорания: энтальпия БТТ H_т и давление p _к.

Энтальпия БТТ H_т зависит от начальной температуры топлива определяется исходя из уравнения, характерного для слабого изменения теплоемкости вещества в исследуемом диапазоне температуры:

.

Расчеты проводятся для начальных температур БТТ Т ₀ = 250…320 К с шагом 10 К. Для каждого расчета, соответствующего определенной начальной температуре топлива производится варьирование давления в камере сгорания в диапазоне 4…10 МПа с шагом 1,5 МПа. Результаты представляются в форме таблицы параметров и химического состава продуктов сгорания для температуры 298 К и давления 6 МПа (таблица 2.2), а также зависимостей температуры в камере сгорания и газовой постоянной для рассматриваемого диапазона условий (рис. 2.1).

 

Таблиц 2.2. Термодинамические параметры и состав продуктов сгорания БТТ

 

а	б

Рис. 2.1. Зависимость температуры (а) и газовой постоянной (б) продуктов сгорания от начальной температуры БТТ для различных давлений в КС:
1 – p _к = 4 МПа; 2 – p _к = 5,5 МПа; 3 – p _к = 7 МПа;4 – p _к = 8,5 МПа; 5 – p _к = 10 МПа

 

3. Оптимизация состава трехкомпонентного топлива и учетом изменения термодинамических параметров продуктов сгорания, средней плотности топлива.

3.1 Различные сочетания исходных компонентов формируют для каждого варианта уникальное топливо с неповторимыми удельными параметрами и результатами задачи по оптимизации.

 

Таблица 1 Исходные данные для расчетов

Внутр. № варианта
Окислитель	ПХА	АДНА	ПХА	НА	АДНА	ПХА	НА
ГСВ	БК	ЭС	БК	ЭС	БК	ПУ	БК
Добавка	Al	AlB2	Октоген	AlH3	Октоген	Al	Октоген
ркс, МПа
ра, МПа	0,07	0,2	0,01	0,05	0,08	0,09	0,02
Мт, кг
Мпн, кг		-
Мкорпуса, кг	250·VТ	400· VТ	250· VТ	200· VТ	260· VТ	280· VТ	190· VТ
dкс, м	1,4	0,35	0,9	1,2	0,8	1,8	1,0
df/dкс	0,3	-	0,2	0,3	0,3	0,35	0,2
dr/dкс	0,4	0,8	0,45	0,35	0,6	0,45	0,4
Форма заряда	Канал с конусом	Профиль торц.	Щель 4 шт.	Звезда 5 л.	Звезда 6 л.	Щель 6 шт.	Канал с конусом
dвнутр/dкс*	0,35	0,3***	0,4	0,25	0,28	0,4	0,38
dвнешн/dкс**	0,6	-	0,8	0,34	0,58	0,7	0,8
Тип двигателя	Марш. 1 ст.	ГГ ПВРД	Марш. 3 ст.	Марш. 3 ст.	Марш. ОТР	Марш. 1 ст.	Марш. 3 ст.
№ варианта

* - Внутренний диаметр канала или звезды,

** - Внешний диаметр конуса, щели или звезды,

*** - Радиус и глубина кольцевой щели в торце. Относительная толщина щели 0,08.

Для ДУ 1й ступени в массу полезной нагрузки кроме, собственно, полезного груза входят так же ракетные двигатели 2-3 ступеней.

Таблица 1.6 Свойства компонентов ТРТ

Вещество	УХФ	ΔH0, кДж/кг	ΔH0, кДж/моль	M, г/моль	ρ, кг/м3	Тmax, С	σ, МПа
ПХА	NH4ClO4	-2472	-290	117,5			-
АДНА	N4H4O4	-	-150,6	124,1			-
НА	N2H4O3	-4556	-364,8	80,1			-
БК	С4Н8	-1860	-	-			13-16
ЭС	H6C4O	-2767	-	-			50-80
ПУ	СNHO2	-3800	-	-			23-50
Al	Al		-	-		-	-
AlB2	AlB2	-	-151	48,6		-	-
AlH3	AlH3	-	-12	30,0			-
Октоген	CH2N2O2		-	296,1			-

ПХА – перхлорат аммония,

АДНА – аммониевая соль динитрамида, динитроаммиака, динитразовой кислоты,

НА – нитрат аммония,

БК – бутилкаучук,

ЭС – эпоксидная смола,

ПУ – полиуретан.