Термодинамическая оценка топливной эффективности высокоскоростного прямоточного воздушно-реактивного двигателя на углеводородном топливе с добавками бора и гидрида бериллия

С.В. Кручков, А.М. Савельев

ISSN 0236-3941. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. 2017. № 5

интерес представляют горючие наносуспензии или нанофлюиды — системы,

состоящие из жидкого топлива и взвешенного в нем нанокристаллического

горючего порошка. Основная проблема, стоящая на пути широкого использо-

вания горючих суспензий в реактивной технике, — их нестабильность, выра-

жающаяся в коагуляции частиц с образованием хлопьев [1]. Благодаря накоп-

ленному в коллоидной химии опыту, решение этой проблемы для наносуспен-

зий является более простой задачей по сравнению с суспензиями, содержащими

частицы более крупных размеров. Выполненные в последние годы эксперимен-

ты с наножидкостями, а также с так называемыми магнитными жидкостями —

суспензиями, содержащими ферро- или ферримагнитные наночастицы, показа-

ли принципиальную возможность создания устойчивых наносуспензий [2, 3].

Однако, несмотря на достигнутый в этой области прогресс, обеспечение устой-

чивости наносуспензий остается пока сложной задачей. Для оценки целесооб-

разности ее решения применительно к горючим наносуспензиям необходимо

оценить возможную степень понижения удельного расхода топлива при ис-

пользовании горючих суспензий в качестве реактивного топлива. Термодина-

мической оценке топливной эффективности высокоскоростного ПВРД, работа-

ющего на углеводородном горючем с энергетическими добавками бора и гидри-

да бериллия, и посвящена настоящая работа.

Постановка задачи.

В качестве энергетических добавок к авиационному керо-

сину подходят нанопорошки твердых топлив, имеющие более высокую, чем у

керосина, теплоту сгорания. Современный авиационный керосин марки Jet-A ха-

рактеризуется удельной теплотой сгорания

в пределах от 42 до 43 МДж/кг

(стандарт ASTM 7566609). Поэтому в качестве добавки к керосину Jet-A могут быть

рассмотрены следующие твердые топлива: Li (43,1 МДж/кг), LiH (43,5 МДж/кг),

B(58,9 МДж/кг), Be (67,6 МДж/кг), BeH (75,5 МДж/кг). Отметим, что теплота сгора-

ния лития и его гидрида лишь незначительно превышает теплоту сгорания кероси-

на, поэтому использование их в качестве энергетических добавок нецелесообразно.

Вследствие этого ограничимся анализом лишь двух энергетических добавок: бора и

гидрида бериллия. Теплота сгорания бериллия занимает промежуточное положе-

ние между бором и гидридом бериллия. Следовательно, при прочих равных усло-

виях топливная экономичность высокоскоростного ПВРД, работающего на керо-

сине с добавкой бериллия, будет лучше, чем при использовании бора, и хуже, чем

при использовании гидрида бериллия.

Оценка топливной экономичности высокоскоростного ПВРД, работающего на

углеводородном горючем с энергетическими добавками бора и гидрида бериллия,

была выполнена на примере простейшего ПВРД с камерой сгорания (КС) постоян-

ного сечения и трехскачковым воздухозаборником (ВЗ) внешнего сжатия (рис. 1).

Как известно, удельный расход топлива обратно пропорционален удельно-

му импульсу двигателя

поэтому задача достижения максимальной топлив-

ной экономичности сводится к поиску экстремума удельного импульса. По-

скольку авторов интересовал теоретически максимально возможный удельный