В качестве термодинамических параметров определяющих условия равновесия исследуемой системы применяются давление, температура, удельный объем, внутренняя энергия, энтропия и энтальпия.

Одной из основных энергетических характеристик топлива является удельный импульс. Выражение для удельного импульса в случае ра=рк можно представить в виде

Iуд=,

где iт, iа- удельные энтальпии твердого топлива и продуктов сгорания в выходном сечении сопла соответственно.

Для сравнения различных твердых топлив по энергетическим характеристикам используются значения удельного импульса, приведенного к давлению при стандартных условиях, за которое для РДТТ обычно принимают давление в камере рк=4МПа, и давление в выходном сечении сопла ра=0,1МПа.

Удельным импульсом ракетного двигателя называется характеристика, равная отношению создаваемого им импульса (количества движения) к расходу топлива.

Величина удельного импульса играет столь важную роль в ракетной технике, что уместно здесь сделать некоторые замечания о ее физическом смысле. Прежде всего, возникает вопрос о том, почему удельный импульс измеряется в единицах времени — секундах (могут применяться и более крупные единицы — минуты, часы). Что это за время? Речь идет о времени, в течение которого в данном двигателе сгорает 1 кг топлива, создавая тягу в 1 кгс. Таким образом, удельный импульс является для ракетчиков мерой экономичности двигателя, характеристикой величины удельного расхода топлива. Чем больше удельный импульс, тем меньше будет израсходовано топлива на совершение данного полета.

Тяга двигателя представляет результирующую всех сил, действующих на двигатель, обусловленных внутрикамерными процессами в нем и давлением невозмущенной среды, следовательно,

Р = Рвн + Рнар,

где Рвн - равнодействующая внутренних сил давления продуктов сгорания на стенки камеры;

Рнар - равнодействующая наружных сил давления невозмущенной среды на стенки двигателя.

Уравнение тяги ракетного двигателя получаем в виде

,

где – давление в выходном сечении сопла;

– площадь поперечного сечения сопла.

Скорость истечения газа вычисляется по формуле:

, где

ωа — скорость газа на выходе из сопла, м/с,

Т—абсолютная температура газа на входе,

R— универсальная газовая постоянная , R=8.314Дж/(кмоль*К),

M—молярная масса газа, кг/кмоль,

k— показатель адиабаты,,

Cp—удельная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/(кмоль*К),

Cv— удельная теплоемкость при постоянном объеме, Дж/(кмоль*К),

Pe— абсолютное давление газа на выходе из сопла, Па

P— абсолютное давление газа на входе в сопло, Па

Отметим, что тяга в пустоте равна Рвн– равнодействующей внутренних сил давления продуктов сгорания на стенки камеры.

Итак, ракетная техника ждет от химии топлив с помощью которых, прежде всего, может быть получена наибольшая скорость истечения, или наибольший удельный импульс, что равнозначно.[1, cтр.29]

2.1.1 Подготовка исходных данных

Для проведения термодинамического расчета по программе Астра-4 необходимо подготовить исходные данные:

-рассчитать эквивалентные формулы каждой компоненты, входящей в состав топливной смеси;

-подготовить данные об энтальпии образования исходных компонентов.

2.1.2 Расчет эквивалентной формулы

Методика расчета эквивалентной формулы заимствована из курсовой работы за третий курс.[2, стр.13-14]

Состав вещества в массовых долях отдельных элементов называется элементарным составом. Общая формула для массовой доли отдельного(k-го) элемента в веществе имеет вид:

,

здесь bk – массовая доля k-го элемента;

ak - число атомов данного элемента в молекуле рассматриваемого соединения;

Ak- атомная масса этого элемента;

Если ограничиться пока элементами H, C, N и О, то в общем случае химическая формула вещества имеет вид

CmHnOpNq.

Тогда элементарный состав будет

bc=; bh=; bo=; bn=.

Здесь µ=12m+n+16p+14q – молекулярная масса вещества;

bc, bh, bo, bn – доли углерода, водорода, кислорода и азота.

Для углерода и водорода приняты округленные значения атомных масс (µн=1, µс=12);

Если топливо или его компонент представляет собой комбинацию нескольких веществ, то массовая доля отдельного элемента найдется так:

bk=Σgibki

где bk – массовая доля k – го элемента в смеси,

gi - массовая доля отдельного (i–го) вещества в смеси,

bki – массовая доля k – го элемента в i- м веществе;

Если топливо состоит из окислителя и горючего и известно соотношение компонентов æ элементарный состав обоих компонентов, то массовая доля отдельного (k – го) элемента в топливе найдется так:

bk=( bkг+ ækok)/(1+ æ).

Когда компоненты представляют собой смеси индивидуальных веществ, то для некоторых расчетов удобно использовать условную химическую формулу данного компонента. Такую формулу можно построить разным способом. Например, удобно определять ее, исходя из числа атомов различных элементов, приходящихся на 100 массовых единиц рассматриваемого компонента. Тогда условная химическая формула будет иметь вид

CmHnOpNq…,

где m=100bc/12; n=100bH/1; p=100bo/16; q=100bN/14,

а bc, bH, bo, bN – массовые доли соответствующих элементов в данном компоненте. [3,стр.118-119].

Рассмотрим конкретный пример. Возьмем SnCl2.

М(SnCl2)=118.69+35.453*2=189.596г/моль

bsn=

bCl2=

Тогда условная химическая формула будет иметь вид:

Sn5.274Cl10.549.

Аналогично находим условные химические формулы для SiO2, сажи, Аl, связки МПВТ-ЛД-70. Данные приведены в таблице 3.

Таблица 3. Эквивалентные формулы компонентов