Беседы о ракетных двигателях. Способ обеспечения улучшенного сгорания с участием углеводородных соединений Нацистское наследие в Англии…

1 .. 42 > .. >> Следующая
Низкая температура застывания спирта позволяет использовать его в широком диапазоне температур окружающей среды.
Спирт производится в очень больших количествах и не является дефицитным горючим. На конструкционные материалы спирт не оказывает агрессивного воздействия. Это позволяет применять для спиртовых баков и магистралей сравнительно дешевые материалы.
Заменителем этилового спирта может служить метиловый спирт, дающий с кислородом топливо несколько худшего качества. Метиловый спирт смешивается с этиловым в любых пропорциях, что позволяет использовать его при недостатке этилового спирта и добавлять в некоторой доле в горючее. Топливо на основе жидкого кислорода применяется почти исключительно в ракетах дальнего действия, допускающих и даже, вследствие большого веса, требующих заправки ракеты компонентами на месте старта.
Перекись водорода
Перекись водорода H2O2 в чистом виде (т. е. 100%-ной концентрации) в технике не применяется, так как является чрезвычайно нестойким продуктом, способным к самопроизвольному разложению, легко переходящему во взрыв под влиянием всяких, казалось бы, незначительных внешних воздействий: удара, освещения, малейшего загрязнения органическими веществами и примесями некоторых металлов.
В ракетной технике"применяются более стойкие высококонцен-трпрованные (чаще всего 80"%-ной концентрации) растворы перекц си водорода в воде. Для повышения стойкости к перекиси водорода прибавляют небольшие количества веществ, препятствующих ее самопроизвольному разложению (например, фосфорной кислоты). Применение 80"%-ной перекиси водорода требует в настоящее время принятия лишь обычных мер предосторожности, необходимых при обращении с сильными окислителями. Перекись водорода такой концентрации является прозрачной, слегка голубоватой жидкостью с температурой замерзания -25° С.
Перекись водорода при разложении ее на кислород и водяные пары выделяет тепло. Это выделение тепла объясняется тем, что теплота образования перекиси составляет - 45,20 ккал/г-моль, в то
126
Гл. IV. Топлива ракетных двигателей
время как теплота образования воды равняется-68,35 ккал/г-моль. Таким образом, при разложении перекиси по формуле H2O2 = --H2O+V2O0 выделяется химическая энергия, равная разности 68,35-45,20=23,15 ккал/г-моль, или 680 ккал/кг.
Перекись водорода 80э/о-ной концентрации обладает способностью к разложению в присутствии катализаторов с выделением тепла в количестве 540 ккал/кг и с выделением свободного кислорода, который может быть использован для окисления горючего. Перекись водорода обладает значительным удельным весом (1,36 кг/л для 80%-ной концентрации). Использовать перекись водорода как охладитель нельзя, так как при нагревании она не закипает, а сразу разлагается.
В качестве материалов для баков и трубопроводов двигателей, работающих на перекиси, могут служить нержавеющая сталь и очень чистый (с содержанием примесей до 0,51%) алюминий. Совершенно недопустимо применение меди и других тяжелых металлов. Медь является сильным катализатором, способствующим разложению перекиои водорода. Для прокладок и уплотнений могут применяться некоторые виды пластмасс. Попадание концентрированной перекиси водорода на кожу вызывает тяжелые ожоги. Органические вещества при попадании на них перекиси водорода загораются.
Топлива на основе перекиси водорода
На основе перекиси водорода создано два типа топлив.
Топлива первого типа представляют собой топлива раздельной подачи, в которых кислород, выделяющийся при разложении перекиси водорода, используется для сжигания горючего. Примером может служить топливо, применявшееся в описанном выше (стр. 95) двигателе самолета-перехватчика. Оно состояло из перекиси водорода 80%-ной концентрации и смеси гидразингидрата (N2H4 H2O) с метиловым спиртом. При добавлении в горючее специального катализатора это топливо становится самовоспламеняющимся. Сравнительно низкая теплотворная способность (1020 ккал/кг), а также малый молекулярный вес продуктов сгорания определяют низкую температуру сгорания, что облегчает работу двигателя. Однако из-за малой теплотворной способности двигатель имеет низкую удельную тягу (190 кгсек/кг).
С водой и спиртом перекись водорода может образовывать относительно взрывобезопасные тройные смеси, которые являются примером однокомпонентного топлива. Теплотворная способность таких взрывобезопасных смесей относительно невелика: 800-900 ккал/кг. Поэтому в качестве основного топлива для ЖРД они едва ли будут применяться. Такие смеси могут использоваться в парогазогене-раторах.
2. Современные топлива ракетных двигателей
127
Реакция разложения концентрированной перекиси, как уже говорилось, широко используется в ракетной технике для получения парогаза, являющегося рабочим телом турбины при насосной подаче.
Известны также двигатели, в которых тепло разложения перекиси служило для создания силы тяги. Удельная тяга таких двигателей низкая (90-100 кгсек/кг).
Для разложения перекиси используют два типа катализаторов: жидкий (раствор перманганата калия KMnO4) или твердый. Применение последнего является более предпочтительным, так как делает излишней систему подачи жидкого катализатора в реактор.

Перекись водорода H 2 O 2 - прозрачная бесцветная жидкость, заметно более вязкая, чем вода, с характерным, хотя и слабым запахом. Безводную перекись водорода трудно получить и хранить, и она является слишком дорогой для использования в качестве ракетного топлива. Вообще, дороговизна - один из главных недостатков перекиси водорода. Зато, по сравнению с другими окислителями, она более удобна и менее опасна в обращении.
Склонность перекиси к самопроизвольному разложению традиционно преувеличивается. Хотя мы и наблюдали снижение концентрации с 90% до 65% за два года хранения в литровых полиэтиленовых бутылках при комнатной температуре, но в больших объёмах и в более подходящей таре (например, в 200-литровой бочке из достаточно чистого алюминия) скорость разложения 90%-й перекиси составила бы менее 0,1% в год.
Плотность безводной перекиси водорода превышает 1450 кг/м 3 , что значительно больше, чем у жидкого кислорода, и немногим меньше, чем у азотнокислых окислителей. К сожалению, примеси воды быстро уменьшают её, так что 90%-й раствор имеет плотность 1380 кг/м 3 при комнатной температуре, но это всё ещё очень неплохой показатель.
Перекись в ЖРД может применяться и как унитарное топливо, и как окислитель - например, в паре с керосином или спиртом. Ни керосин, ни спирт не самовоспламеняются с перекисью, и для обеспечения зажигания в горючее приходится добавлять катализатор разложения перекиси - тогда выделяющегося тепла достаточно для воспламенения. Для спирта подходящим катализатором является ацетат марганца (II). Для керосина тоже существуют соответствующие добавки, но их состав держится в секрете.
Применение перекиси как унитарного топлива ограничено её сравнительно низкими энергетическими характеристиками. Так, достигаемый удельный импульс в вакууме для 85%-й перекиси составляет лишь порядка 1300…1500 м/с (для разных степеней расширения), а для 98%-й - примерно 1600…1800 м/с. Тем не менее, перекись была применена сначала американцами для ориентации спускаемого аппарата космического корабля «Меркурий», затем, с той же целью, советскими конструкторами на СА КК «Союз». Кроме того перекись водорода используется как вспомогательное топливо для привода ТНА - впервые на ракете V-2 , а затем на её «потомках», вплоть до Р-7 . Все модификации «семёрок», включая самые современные, по-прежнему используют перекись для привода ТНА.
В качестве окислителя перекись водорода эффективна с различными горючими. Хотя она и даёт меньший удельный импульс, нежели чем жидкий кислород, но при применении перекиси высокой концентрации значения УИ превышают таковые для азотнокислотных окислителей с теми же горючими. Из всех ракет-носителей космического назначения лишь одна использовала перекись (в паре с керосином) - английская «Black Arrow». Параметры её двигателей были скромны - УИ двигателей I ступени немногим превышал 2200 м/с у земли и 2500 м/с в вакууме, - так как в этой ракете использовалась перекись всего лишь 85% концентрации. Сделано это было из-за того, что для обеспечения самовоспламенения перекись разлагалась на серебряном катализаторе. Более концентрированная перекись расплавила бы серебро.
Несмотря на то, что интерес к перекиси время от времени активизируется, перспективы её остаются туманными. Так, хотя советский ЖРД РД-502 (топливная пара - перекись плюс пентаборан) и продемонстрировал удельный импульс 3680 м/с, он так и остался экспериментальным.
В наших проектах мы ориентируемся на перекись ещё и потому, что двигатели на ней оказываются более «холодными», чем аналогичные двигатели с таким же УИ, но на других топливах. Например, продукты сгорания «карамельного» топлива имеют почти на 800° большую температуру при том же достигаемом УИ. Это связано с большим количеством воды в продуктах реакции перекиси и, как следствие, с низкой средней молекулярной массой продуктов реакции.

Торпедные двигатели: вчера и сегодня

ОАО «НИИ мортеплотехники» осталось единственным предприятием в Российской Федерации, осуществляющим полномасштабную разработку тепловых энергоустановок

В период от основания предприятия и до середины 1960-х гг. главное внимание уделялось разработке турбинных двигателей для противокорабельных торпед с рабочим диапазоном работы турбин на глубинах 5-20 м. Противолодочные торпеды проектировались тогда только на электроэнергетике. В связи с условиями применения противокорабельных торпед важными требованиями к энергосиловым установкам были максимально возможная мощность и визуальная незаметность. Требование по визуальной незаметности легко выполнялось за счет применения двухкомпонентного топлива: керосина и маловодного раствора перекиси водорода (МПВ) концентрации 84%. В продуктах сгорания содержался водяной пар и двуокись углерода. Выхлоп продуктов сгорания за борт осуществлялся на расстоянии 1000-1500 мм от органов управления торпедой, при этом пар конденсировался, а двуокись углерода быстро растворялась в воде так, что газообразные продукты сгорания не только не достигали поверхности воды, но и не оказывали влияния на рули и гребные винты торпеды.

Максимальная мощность турбины, достигнутая на торпеде 53-65, составила 1070 кВт и обеспечивала движение со скоростью около 70 узлов. Это была самая скоростная торпеда в мире. Для снижения температуры продуктов сгорания топлива с 2700-2900 К до приемлемого уровня в продукты сгорания впрыскивалась морская вода. На начальной стадии работ соли из морской воды осаждались в проточной части турбины и приводили к ее разрушению. Это происходило до тех пор, пока не были найдены условия безаварийной работы, минимизирующие влияние солей морской воды на работоспособность газотурбинного двигателя.

При всех энергетических преимуществах перексида водорода как окислителя, его повышенная пожаровзрывоопасность при эксплуатации диктовала поиск применения альтернативных окислителей. Одним из вариантов подобных технических решений была замена МПВ на газообразный кислород. Турбинный двигатель, разработанный на нашем предприятии, сохранился, а торпеда, получившая обозначение 53-65К, успешно эксплуатировалась и не снята с вооружения ВМФ до сих пор. Отказ от применения МПВ в торпедных тепловых энергосиловых установках привел к необходимости проведения многочисленных научно-исследовательских работ по поиску новых топлив. В связи с появлением в середине 1960-х гг. атомных подводных лодок, имеющих высокие скорости подводного движения, противолодочные торпеды с электроэнергетикой оказались малоэффективными. Поэтому наряду с поиском новых топлив исследовались новые типы двигателей и термодинамические циклы. Наибольшее внимание было уделено созданию паротурбинной установки, работающей в замкнутом цикле Ренкина. На этапах предварительной как стендовой, так и морской отработки таких агрегатов, как турбина, парогенератор, конденсатор, насосы, клапана и всей системы в целом использовалось топливо: керосин и МПВ, а в основном варианте – твердое гидрореагирующее топливо, обладающее высокими энергетическими и эксплуатационными показателями.

Паротурбинная установка была успешно отработана, но работы по торпеде были остановлены.

В 1970-1980-х гг. большое внимание уделялось разработке газотурбинных установок открытого цикла, а также комбинированного цикла с применением в системе газовыхлопа эжектора на больших глубинах работы. В качестве топлива использовались многочисленные рецептуры жидкого монотоплива типа Otto-Fuel II, в том числе с добавками металлического горючего, а также с применением жидкого окислителя на основе гидроксил аммония перхлорат (НАР).

Практический выход получило направление создания газотурбинной установки открытого цикла на топливе типа Otto-Fuel II. Был создан турбинный двигатель мощностью более 1000 кВт для ударной торпеды калибра 650 мм.

В середине 1980-х гг. по результатам проведенных исследовательских работ руководством нашего предприятия было принято решение о развитии нового направления – разработки для универсальных торпед калибра 533 мм аксиально-поршневых двигателей на топливе типа Otto-Fuel II. Поршневые двигатели по сравнению с турбинными обладают более слабой зависимостью экономичности от глубины хода торпеды.

С 1986-го по 1991 гг. был создан аксиально-поршневой двигатель (модель 1) мощностью около 600 кВт для универсальной торпеды калибра 533 мм. Он успешно прошел все виды стендовых и морских испытаний. В конце 1990-х годов в связи с уменьшением длины торпеды была создана вторая модель этого двигателя путем модернизации в части упрощения конструкции, повышении надежности, исключения дефицитных материалов и внедрения многорежимности. Эта модель двигателя принята в серийной конструкции универсальной глубоководной самонаводящейся торпеды.

В 2002 г. ОАО «НИИ мортеплотехники» было поручено создание энергосиловой установки для новой легкой противолодочной торпеды калибра 324 мм. После анализа всевозможных типов двигателей, термодинамических циклов и топлив выбор был сделан также, как и для тяжелой торпеды, в пользу аксиально-поршневого двигателя открытого цикла на топливе типа Otto-Fuel II.

Однако при проектировании двигателя был учтен опыт слабых сторон конструкции двигателя тяжелой торпеды. Новый двигатель имеет принципиально другую кинематическую схему. В нем отсутствуют элементы трения в топливоподающем тракте камеры сгорания, что исключило возможность взрыва топлива в процессе работы. Вращающиеся части хорошо сбалансированы, а приводы вспомогательных агрегатов значительно упрощены, что привело к снижению виброактивности. Внедрена электронная система плавного регулирования расхода топлива и соответственно мощности двигателя. Практически отсутствуют регуляторы и трубопроводы. При мощности двигателя 110 кВт во всем диапазоне требуемых глубин, на малых глубинах он допускает удвоение мощности при сохранении работоспособности. Широкий диапазон параметров работы двигателя позволяет использовать его в торпедах, антиторпедах, самодвижущихся минах, средствах гидроакустического противодействия, а также в автономных подводных аппаратах военного и гражданского назначения.

Все эти достижения в области создания торпедных энергосиловых установок были возможны в связи с наличием в ОАО «НИИ мортеплотехники» уникальных экспериментальных комплексов, созданных как собственными силами, так и за счет государственных средств. Комплексы располагаются на территории около 100 тыс.м2. Они обеспечены всеми необходимыми системами энергоснабжения, в том числе системами воздуха, воды, азота и топлив высокого давления. В испытательные комплексы входят системы утилизации твердых, жидких и газообразных продуктов сгорания. В комплексах имеются стенды для испытаний макетных и полномасштабных турбинных и поршневых двигателей, а также двигателей других типов. Имеются, кроме того, стенды для испытаний топлив, камер сгорания, различных насосов и приборов. Стенды оснащены электронными системами управления, измерения и регистрации параметров, визуального наблюдения испытуемых объектов, а также аварийной сигнализацией и защитой оборудования.

ПЕРЕКИСЬ ВОДОРОДА H 2 O 2 - простейший представитель перекисей; высококипяший окислитель или однокомпонентное ракетное топливо , а также источник парогаза для привода ТНА. Используется в виде водного раствора высокой (до 99%) концентрации. Прозрачная жидкость без цвета и запаха с «металлическим» привкусом. Плотность 1448 кг/м 3 (при 20°С), t пл ~ 0°С, t кип ~ 150°С. Слабо токсична, при попадании на кожу вызывает ожоги, с некоторыми органическими веществами образует взрывчатые смеси. Чистые растворы достаточно стабильны (скорость разложения обычно не превышает 0,6% в год); в присутствии следов ряда тяжёлых металлов (например, медь, железо, марганец, серебро) и других примесей разложение ускоряется и может переходить во взрыв; для повышения устойчивости при длительном хранении в перекись водорода вводят стабилизаторы (соединения фосфора и олова). Под воздействием катализаторов (например, продуктов коррозии железа) разложение перекиси водорода на кислород и воду идёт с выделением энергии, при этом температура продуктов реакции (парогаза) зависит от концентрации перекиси водорода : 560°С при 80%-ной концентрации и 1000°С при 99%-ной. Лучше всего совместима с нержавеющими сталями и чистым алюминием. В промышленности получают гидролизом надсерной кислоты H 2 S 2 O 8 , образующейся при электролизе серной кислоты H 2 SO 4 . Концентрированная перекись водорода нашла широкое применение в ракетной технике. Перекись водорода является источником парогаза для привода ТНА в ЖРД ряда ракет (Фау-2, «Редстоун», «Викинг», «Восток» и др.), окислителем ракетного топлива в ракетах («Блэк эрроу» и др.) и самолётах (Ме-163, Х-1, Х-15 и др.), однокомпонентным топливом в двигателях космических аппаратов («Союз», «Союз Т» и др.). Перспективно её применение в паре с углеводородами, пентабораном и гидридом бериллия.

Перекись водорода H2O2 - прозрачная бесцветная жидкость, заметно более вязкая, чем вода, с характерным, хотя и слабым запахом. Безводную перекись водорода трудно получить и хранить, и она является слишком дорогой для использования в качестве ракетного топлива. Вообще, дороговизна - один из главных недостатков перекиси водорода. Зато, по сравнению с другими окислителями, она более удобна и менее опасна в обращении.
Склонность перекиси к самопроизвольному разложению традиционно преувеличивается. Хотя мы и наблюдали снижение концентрации с 90% до 65% за два года хранения в литровых полиэтиленовых бутылках при комнатной температуре, но в больших объёмах и в более подходящей таре (например, в 200-литровой бочке из достаточно чистого алюминия) скорость разложения 90%-й перекиси составила бы менее 0,1% в год.
Плотность безводной перекиси водорода превышает 1450 кг/м3, что значительно больше, чем у жидкого кислорода, и немногим меньше, чем у азотнокислых окислителей. К сожалению, примеси воды быстро уменьшают её, так что 90%-й раствор имеет плотность 1380 кг/м3 при комнатной температуре, но это всё ещё очень неплохой показатель.
Перекись в ЖРД может применяться и как унитарное топливо, и как окислитель - например, в паре с керосином или спиртом. Ни керосин, ни спирт не самовоспламеняются с перекисью, и для обеспечения зажигания в горючее приходится добавлять катализатор разложения перекиси - тогда выделяющегося тепла достаточно для воспламенения. Для спирта подходящим катализатором является ацетат марганца (II). Для керосина тоже существуют соответствующие добавки, но их состав держится в секрете.
Применение перекиси как унитарного топлива ограничено её сравнительно низкими энергетическими характеристиками. Так, достигаемый удельный импульс в вакууме для 85%-й перекиси составляет лишь порядка 1300…1500 м/с (для разных степеней расширения), а для 98%-й - примерно 1600…1800 м/с. Тем не менее, перекись была применена сначала американцами для ориентации спускаемого аппарата космического корабля «Меркурий», затем, с той же целью, советскими конструкторами на СА КК «Союз». Кроме того перекись водорода используется как вспомогательное топливо для привода ТНА - впервые на ракете V-2, а затем на её «потомках», вплоть до Р-7. Все модификации «семёрок», включая самые современные, по-прежнему используют перекись для привода ТНА.
В качестве окислителя перекись водорода эффективна с различными горючими. Хотя она и даёт меньший удельный импульс, нежели чем жидкий кислород, но при применении перекиси высокой концентрации значения УИ превышают таковые для азотнокислотных окислителей с теми же горючими. Из всех ракет-носителей космического назначения лишь одна использовала перекись (в паре с керосином) - английская «Black Arrow». Параметры её двигателей были скромны - УИ двигателей I ступени немногим превышал 2200 м/с у земли и 2500 м/с в вакууме, - так как в этой ракете использовалась перекись всего лишь 85% концентрации. Сделано это было из-за того, что для обеспечения самовоспламенения перекись разлагалась на серебряном катализаторе. Более концентрированная перекись расплавила бы серебро.
Несмотря на то, что интерес к перекиси время от времени активизируется, перспективы её остаются туманными. Так, хотя советский ЖРД РД-502 (топливная пара - перекись плюс пентаборан) и продемонстрировал удельный импульс 3680 м/с, он так и остался экспериментальным.
В наших проектах мы ориентируемся на перекись ещё и потому, что двигатели на ней оказываются более «холодными», чем аналогичные двигатели с таким же УИ, но на других топливах. Например, продукты сгорания «карамельного» топлива имеют почти на 800° большую температуру при том же достигаемом УИ. Это связано с большим количеством воды в продуктах реакции перекиси и, как следствие, с низкой средней молекулярной массой продуктов реакции.