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 Hт и давление pк.
Энтальпия БТТ Hт зависит от начальной температуры топлива определяется исходя из уравнения, характерного для слабого изменения теплоемкости вещества в исследуемом диапазоне температуры:
.
Расчеты проводятся для начальных температур БТТТ0 = 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 – pк = 4 МПа; 2 – pк = 5,5 МПа; 3 – pк = 7 МПа;4 – pк = 8,5 МПа; 5 – pк = 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 | 250VТ | 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 | H0, кДж/кг | H0, кДж/моль | M, г/моль | , кг/м3 | Тmax, С | , 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.