Меню Рубрики

Двигатель с химической установкой

masterok

Мастерок.жж.рф

Хочу все знать

Ядерный ракетный двигатель — ракетный двигатель, принцип действия которого основан на ядерной реакции или радиоактивном распаде, при этом выделяется энергия, нагревающая рабочее тело, которым могут служить продукты реакций либо какое-то другое вещество, например водород.

Давайте разберем варианты и принципы из действия…

Существует несколько разновидностей ракетных двигателей, использующих вышеописанный принцип действия: ядерный, радиоизотопный, термоядерный. Используя ядерные ракетные двигатели, можно получить значения удельного импульса значительно выше тех, которые могут дать химические ракетные двигатели. Высокое значение удельного импульса объясняется большой скоростью истечения рабочего тела — порядка 8—50 км/с. Сила тяги ядерного двигателя сравнима с показателями химических двигателей, что позволит в будущем заменить все химические двигатели на ядерные.

Основным препятствием на пути полной замены является радиоактивное загрязнение окружающей среды, которое наносят ядерные ракетные двигатели.

Их разделяют на два типа — твердо-и газофазные. В первом типе двигателей делящееся вещество размещается в сборках-стержнях с развитой поверхностью. Это позволяет эффективно нагревать газообразное рабочее тело, обычно в качестве рабочего тела выступает водород. Скорость истечения ограничена максимальной температурой рабочего тела, которая, в свою очередь, напрямую зависит от максимально допустимой температуры элементов конструкции, а она не превышает 3000 К. В газофазных ядерных ракетных двигателях делящееся вещество находится в газообразном состоянии. Его удержание в рабочей зоне осуществляется посредством воздействия электромагнитного поля. Для этого типа ядерных ракетных двигателей элементы конструкции не являются сдерживающим фактором, поэтому скорость истечения рабочего тела может превышать 30 км/с. Могут быть использованы в качестве двигателей первой ступени, невзирая на утечку делящегося вещества.

В 70-х гг. XX в. в США и Советском Союзе активно испытывались ядерные ракетные двигатели с делящимся веществом в твердой фазе. В США разрабатывалась программа по созданию опытного ядерного ракетного двигателя в рамках программы NERVA.

Американцами был разработан графитовый реактор, охлаждаемый жидким водородом, который нагревался, испарялся и выбрасывался через ракетное сопло. Выбор графита был обусловлен его температурной стойкостью. По этому проекту удельный импульс полученного двигателя должен был вдвое превышать соответствующий показатель, характерный для химических двигателей, при тяге в 1100 кН. Реактор Nerva должен был работать в составе третьей ступени ракеты-носителя «Сатурн V», но в связи с закрытием лунной программы и отсутствием других задач для ракетных двигателей этого класса реактор так и не был опробован на практике.

В настоящее время в стадии теоретической разработки находится газофазный ядерный ракетный двигатель. В газофазном ядерном двигателе подразумевается использовать плутоний, медленно движущаяся газовая струя которого окружена более быстрым потоком охлаждающего водорода. На орбитальных космических станциях МИР и МКС проводились эксперименты, которые могут дать толчок к дальнейшему развитию газофазных двигателей.

На сегодняшний день можно сказать, что Россия немного «заморозила» свои исследования в области ядерных двигательных установок. Работа российских ученых больше ориентирована на разработку и совершенствование базовых узлов и агрегатов ядерных энергодвигательных установок, а также их унификацию. Приоритетным направлением дальнейших исследований в этой области является создание ядерных энергодвигательных установок, способных работать в двух режимах. Первым является режим ядерного ракетного двигателя, а вторым — режим установки генерирующей электроэнергии для питания аппаратуры, установленной на борту космического аппарата.

источник

Сага о ракетных топливах

Предисловие.

А его и не будет, что бы не спамить, всё описано в «послесловии». Обязательно его прочтите, что бы не было диссонанса с более ранними комментариями.
Статью пришлось переделать 01.03.2017 и она отличается от первоначальной.

Achtung! Не стоит рассматривать эту статью, как некий научный труд или претензия на нобелевку.
Тем более:

«… И нет ничего нового под солнцем»

(Экклизиаст 1:9).
О топливах, ракетах ракетных двигателях писалось, пишут и будут писать.

Одной из первых работ по топливам ЖРД можно считать книгу В.П.Глушко «Жидкое топливо для реактивных двигателей», изданную в 1936 г.

Для меня тема показалась интересной, связанной с моей бывшей специальностью и учёбой в ВУЗе, тем паче «приволок» её мой младший отпрыск «шеф давай замесим, что нить такое и запустим, а если лень, то мы сами сообразим». Видимо лавры Лин Индастриал» не дают покоя.

Так хочется правильно взорвать свой ракетный двигатель.

«Соображать» будем вместе, под строгим родительским контролем.

«Ключ на старт»… «Поехали»! (Ю.А. Гагарин& С.П. Королёв)

Какой бы тип РД (схема, характер процесса) не применялся в ракетной технике его целевое предназначение: создание тяги (силы), путём преобразования исходной энергии, запасённой в РТ в кинетическую энергию (Ек) реактивной струи рабочего тела.
Ек реактивной струи в РД преобразуются разные виды энергии (химическая, ядерная, электрическая).
Для химических двигателей топливо можно разделить по фазовому состоянию: газообразное, жидкое, твёрдое, смешанное.

Часть №1-топлива для ЖРД или жидкие ракетные топлива.

Классификация химических топлив для ракетных двигателей (общепринятая):

ЖРД(РД)-жидкостный ракетный двигатель.
Тяга ЖРД—равнодействующая реактивной силы ЖРД и сил давле­ния окружающей среды, действующих на его внешние поверхности, за исключением сил внешнего аэродинамического сопротивления. Различа­ют тягу на земле (на уровне моря) и в пустоте.
Удельный импульс тяги ЖРД (удельный импульс ЖРД),- отношение тяги ЖРД к массовому расходу топлива ЖРД. Аналогично тяге удель­ный импульс ЖРД максимален в пустоте и соответственно уменьшается при наличии давления окружающей среды.
Удельная масса ЖРД — отношение массы залитого ЖРД к его наибольшей тяге на основном режиме, причем масса залитого ЖРД определяется массой ЖРД (массой конструкции ЖРД) и компонентов топлива, заполняющих его трубопроводы и агрегаты при работе.
Тип ЖРТ. Обычно каждую ДУ конструируют для вполне определен­ного топлива, причем от него в значительной степени зависят удельные параметры ЖРД и ДУ и эффективность их применения в составе ракеты (или ЛА).
Время работы ЖРД — время от первой команды на запуск ЖРД до первой команды на его выключение. Для ЖРД многократного вклю­чения время работы равно суммарному времени работы ЖРД, соответствующему всем циклам работы.
ХРТ-химическое ракетное топливо.
ЖРТ-жидкие ракетные топлива.
ТНА-турбонасосный агрегат.
КС- камера сгорания.
Удельный импульс (Iуд).
Реактивная тяга (Р или Fр).
КМ-конструкционные материалы.
ДУ-двигательная установка.
О-окислитель.
Г-горючее.
Ракетное топливо (ТК, чтобы не путать с РТ, см. ниже)-вещество, подвергающееся химическим, ядерным или термоэлектрическим реакциям в ракетном двигателе, для создания его тяги.
Рабочее тело (РТ) — вещество, с которым происходят различные физико-химические преобразования внутри РД, составляющие его рабочий процесс.
Стехиометрическое соотношение компонентов топлива (Km0)(подробнее-кликнуть)-отношение массы окислителя к массе горючего при стехиометрических реакциях.
Состав топлива-горючая и негорючая части (в общем случае).
Виды топлив(в общем случае).

Химическим источником тепловой энергии для РД в общем случае можно считать химическую реакцию компонентов РТ.

Начну вещать с Km0. Это очень важное соотношение для РД: топливо может гореть по-разному в РД (химическая реакция в РД-это не обычное горение дров в камине, где в качестве окислителя выступает кислород воздуха). Горение (точнее окисление) топлива в камере ракетного двигателя–это, в первую очередь, химическая реакция окисления с выделением тепла. А протекание химических реакций существенно зависит от того, сколько веществ (их соотношение) вступает в реакцию.
Как засыпаться на защите курсового проекта, экзамена или сдаче зачёта. / Дмитрий Завистовский

Значение Km0 зависит от валентности, которую могут проявлять химические элементы в теоретической форме уравнения химической реакции. Пример для ЖРТ: АТ+НДМГ.

Важный параметр-коэффициент избытка окислителя (обозн. греческой «α» с индексом «ок.») и массовое соотношение компонентов Kм.

Kм=(dmок./dt)/(dmг../dt), т.е. отношение массового расхода окислителя к массовому расходу горючего. Он специфичен для каждого топлива. В идеальном случае представляет собой стехиометрическое соотношение окислителя и горючего, т.е. показывает сколько кг окислителя нужно для окисления 1 кг горючего. Однако реальные значения отличаются от идеальных. Соотношение реального Kм к идеальному и есть коэффициент избытка окислителя.

Читайте также:  Установка подогревателя двигателя 220в на уаз буханка

Как правило αок. Пофантазируйте: вместо Н2О представьте ЖК (LOX).
Шугирование позволит увеличить общую плотность окислителя.

Пример захолаживания (переохлаждения) БР Р-9А: в качестве окислителя в ракете впервые было решено использовать переохлажденный жидкий кислород, что позволило уменьшить общее время подготовки ракеты к пуску и повысить степень ее боеготовности.

Молекулярная масса=48 а.е.м., молярная масса=47,998 г/моль
Плотность жидкости при -188 °C (85,2 К) составляет 1,59(7) г/см³
Плотность твёрдого озона при −195,7 °С (77,4 К) равна 1,73(2) г/см³
Температура плавления −197,2(2) °С (75,9 К)

Давно инженеры мучились с ним, пытаясь использовать в качестве высокоэнергетического и вместе с тем экологически чистого окислителя в ракетной технике.
Общая химическая энергия, освобождающаяся при реакции сгорания с участием озона, больше, чем для простого кислорода, примерно на одну четверть (719 ккал/кг). Больше будет, соответственно, и Iуд. У жидкого озона большая плотность, чем у жидкого кислорода (1,35 против 1,14 г/см³ соответственно), а его Ткипения выше (−112 °C и −183 °C соответственно).
Пока непреодолимым препятствием является химическая неустойчивость и взрывоопасность жидкого озона с разложением его на O и O2, при котором возникает движущаяся со скоростью около 2 км/с детонационная волна и развивается разрушающее детонационное давление более 3·107 дин/см2 (3 МПа), что делает применение жидкого озона невозможным при нынешнем уровне техники, за исключением использования устойчивых кислород-озоновых смесей (до 24 % озона). Преимуществом подобной смеси также является больший удельный импульс для водородных двигателей, по сравнению с озон-водородными. На сегодняшний день такие высокоэффективные двигатели, как РД-170, РД-180, РД-191, а также разгонные вакуумные двигатели вышли по Iуд на близкие к предельным значениям параметры и для повышения УИ осталось лишь одна возможность, связанная с переходом на новые виды топлива.

Состояние жидкость при н.у.
Молярная масса 63.012 г/моль (не важно, что я использую молярную массу или молекулярную массу-это не меняет сути)
Плотность 1,513 г/см³
Т. плав.=-41,59 °C, Т. кип.=82,6 °C

Для повышения уд.импульса в кислоту добавляют двуокись азота (NO2). Добавка диоксида азота в кислоту связывает попадающую в окислитель воду, что уменьшает коррозионную активность кислоты, увеличивается плотность раствора, достигая максимума при 14% растворенного NO2. Эту концентрацию использовали американцы для своих боевых ракет.

Мы почти 20 лет искали подходящую тару для азотной кислоты. Очень трудно при этом подобрать конструкционные материалы для баков, труб, камер сгорания ЖРД.
Вариант окислителя, что выбрали в США с 14 % двуокиси азота. А наши ракетчики поступили иначе. Надо было догонять США любой ценой, поэтому окислители советских марок – АК-20 и АК-27 – содержали 20 и 27 % тетраоксида.
Интересный факт: в первом советском ракетном истребителе БИ-1 были использованы для полетов азотная кислота и керосин.

Баки и трубы пришлось изготовлять из монель-металла: сплава никеля и меди, он стал очень популярным конструкционным материалом у ракетчиков. Советские рубли были почти на 95 % сделаны из этого сплава.

Недостатки: терпимая «гадость». Коррозионною активна. Удельный импульс недостаточно высок. В настоящее время в чистом виде почти не используется.

Азотный тетраоксид-АТ (N2O4)

«Принял эстафету» от азотной кислоты в военных двигателях. Обладает саомовоспламеняемостью с гидразином, НДМГ. Низкокипящий компонент, но может долго хранится при принятии особых мер.

Недостатки: такая же гадость, как и HNO3, но со своими причудами. Может разлагаться на окись азота. Токсичен. Низкий удельный импульс. Часто использовали и используют окислитель АК-NN. Это смесь азотной кислоты и азотного тетраоксида, иногда её называют «красной дымящейся азотной кислотой». Цифры обозначают процентное кол-во N2O4.

В основном эти окислители используются в ЖРД военного назначения и ЖРД КА благодаря своим свойствам: долгохранимость и самовоспламеняемость. Характерные горючие для АТ это НДМГ и гидразин.

Атомная масса=18,998403163 а. е. м. (г/моль)
Молярная масса F2, 37,997 г/моль
Температура плавления=53,53 К (−219,70 °C)
Температура кипения=85,03 К (−188,12 °C)
Плотность (для жидкой фазы), ρ=1,5127 г/см³

Химия фтора начала развиваться с 1930-х годов, особенно быстро-в годы 2-й мировой войны 1939-45 годов и после нее в связи с потребностями атомной промышленности и ракетной техники. Название «Фтор» (от греч. phthoros — разрушение, гибель), предложенное А. Ампером в 1810 году, употребляется только в русском языке; во многих странах принято название «флюор».
Это прекрасный окислитель с точки зрения химии. Окисляет и кислород, и воду. Расчеты показывают, что максимальный теоретический Iуд можно получить на паре F2-Be (бериллий)-порядка 6000 м/с!
Супер? Облом, а не «супер».
Чрезвычайно коррозионною активен, токсичен, склонен к взрывам при контакте с окисляющимися материалами. Криогенен. Любой продукт сгорания также имеет почти те же «грехи»: жутко коррозионны и токсичны.
Техника безопасности. Фтор токсичен, предельно допустимая концентрация его в воздухе примерно 2·10-4 мг/л, а предельно допустимая концентрация при экспозиции не более 1 ч составляет 1,5·10-3мг/л.
ЖРД 8Д21 применение пары фтор + аммиак давало удельный импульс на уровне 4000 м/с.
Для пары F2+H2 получается Iуд=4020 м/с!
Беда: HF-фтороводород на «выхлопе».
Стартовая позиция после запуска такого «энергичного движка»?
Лужа жидких металлов и прочих растворённых в плавиковой кислоте химических элементов!
Н2+2F=2HF, при комнатной температуре существует в виде димера H2F2.
Смешивается с водой в любом отношении с образованием фтороводородной (плавиковой) кислоты. А использованию его в ЖРД КА не реально из-за сложностей хранения.

Всё то же самое относится и к остальным жидким галогенам, например к хлору.

Фтороводородный ЖРД тягой 25 т для оснащения обеих ступеней ракетного ускорителя АКС «Спираль» предполагалось разработать в ОКБ-456 В.П.Глушко на базе отработанного ЖРД тягой 10 т на фтороаммиачном (F2+NH3) топливе.

Перекись водорода-H2O2.

Она упомянута мною выше в однокомпонентных топливах.

Walter HWK 109-507: преимущества в простоте конструкции ЖРД. Яркий пример такого топлива-перекись водорода.

Alles: список более менее реальных окислителей закончен. Акцентирую внимание на HClО4. Как самостоятельные окислители на основе хлорной кислоты представляют интерес только: моногидрат (Н2О+ClО4)-твёрдое кристаллическое вещество и дигидрат (2НО+НСlО4)-плотная вязкая жидкость.Хлорная кислота (которая из-за Iуд сама по себе бесперспективна), при этом представляет интерес в качестве добавки к окислителям, гарантирующей надёжность самовоспламенения топлива.

Окислители можно классифицировать и так:

Итоговый (чаще используемый) список окислителей в связке с реальными же горючими:

Примечание: если хотите перевести один вариант удельного импульса в другой, то можно пользоваться простой формулой: 1 м/с = 9,81 с.

В отличие от них-горючих у нас «завались».

Горючие

Основные характеристики двухкомпонентных ЖРТ при pк/pа=7/0,1 МПа

По физико-химическому составу их можно разбить на несколько групп.

Углеводородные горючие.
Низкомолекулярные углеводороды.
Простые вещества: атомарные и молекулярные.
Для этой темы пока практический интерес представляет лишь водород (Hydrogenium).
Na, Mg, Al, Bi, He, Ar, N2, Br2, Si, Cl2, I2 и др. я не буду рассматривать в этой статье.
Гидразиновые топлива («вонючки»).

Поиски оптимального горючего начались с освоения энтузиастами ЖРД.
Первым широко использовавшимся горючим стал спирт (этиловый), применявшийся на первых
советских ракетах Р-1, Р-2, Р-5 («наследство» ФАУ-2) и на самой Vergeltungswaffe-2.

Вернее раствор 75% этилового спирта (этанол, этиловый спирт, метилкарбинол, винный спирт или алкоголь, часто в просторечии просто «спирт») — одноатомный спирт с формулой C2H5OH (эмпирическая формула C2H6O), другой вариант: CH3-CH2-OH
У этого горючего два серьёзных недостатка, которые очевидно не устраивали военных: низкие энергетические показатели и низкая стойкость личного состава к «отравлению» таким горючим.

Сторонники здорового образа жизни (спиртофобы) пытались использовать фурфуриловый спирт-ядовитая, подвижная, прозрачная, иногда желтоватая (до темно-коричневого), со временем краснеющая на воздухе жидкость.

Хим. формула:C4H3OCH2OH, Рац. формула:C5H6O2. Отвратительная жижа.
К питью не предназначена.

Условная формула C7,2107H13,2936
Горючая смесь жидких углеводородов (от C8 до C15) с температурой кипения в интервале 150—250 °C, прозрачная, бесцветная (или слегка желтоватая), слегка маслянистая на ощупь
плотность — от 0,78 до 0,85 г/см³ (при температуре 20°С);
вязкость — от 1,2 – 4,5 мм²/с (при температуре 20°С);
температура вспышки — от 28°С до 72°С;
теплота сгорания — 43 Мдж/кг.
Моё мнение: о точной молярной массе писать бессмысленно

Керосин является смесью из различных углеводородов, поэтому появляются страшные дроби (в хим формуле) и «размазанная» температура кипения.

Читайте также:  Установка стационарного двигателя с водометом

Удобное высококипящее горючее. Используется давно и успешно во всём мире в двигателях и в авиации. Именно на нем до сих пор летают «Союзы». Малотоксичен (пить настоятельно не рекомендую), стабилен. Всё же керосин опасен и вреден для здоровья (употребление внутрь).
А ведь находятся люди, которые им что только ни лечат! Минздрав категорически против!
Солдатские байки: хорошо помогает избавиться от противных Pthirus pubis.

Однако и он требует осторожности в обращении при эксплуатации: авария пассажирского самолёта
Существенные плюсы: сравнительно недорог, освоен в производстве.

Пара керосин-кислород идеальна для первой ступени. Ее удельный импульс на земле 3283 м/с, пустотный 3475 м/с. Недостатки. Относительно малая плотность.

Американские ракетные керосины Rocket Propellant-1 или Refined Petroleum-1

Относительно дешёвый (был):


Для повышения плотности лидерами освоения космоса были разработаны синтин (СССР) и RJ-5 (США).
Синтез синтина.

Керосин имеет склонность к отложению смолистых осадков в магистралях и тракте охлаждения, что отрицательно сказывается на охлаждении.
На это его свойство педалируют Мухин, Велюров @Co.
Керосиновые двигатели наиболее освоены в СССР.

Шедевр человеческого разума и инженерии наша «жемчужина» РД-170/171:

Теперь более корректным названием для горючих на основе керосина стал термин УВГ-«углеводородное горючее», т.к. от керосина, который жгли в безопасных керосиновых лампах И. Лукасевича и Я. Зеха, применяемое УВГ «ушло» очень далеко.
Как пример:нафтил.

Молярная масса: 16,04 г/моль
Плотность газ (0 °C) 0,7168 кг/м³;
жидкость (−164,6 °C) 415 кг/м³
Т. плав.=-182,49 °C
Т. кип.=-161,58 °C

— Удельный импульс у двигателя на СПГ высокий, но это преимущество нивелируется тем, что у метанового топлива меньшая плотность, поэтому в сумме получается незначительное энергетическое преимущество. С конструкционной точки зрения метан привлекателен. Чтобы освободить полости двигателя, нужно только пройти цикл испарения — то есть двигатель легче освобождается от остатков продуктов. За счет этого метановое топливо более приемлемо с точки зрения создания двигателя многоразового использования и летательного аппарата многоразового применения.

Недорог, распространен, устойчив, малотоксичен. По сравнению с водородом имеет более высокую температуру кипения, а удельный импульс в паре с кислородом выше, чем у керосина: около 3250-3300 м/с на земле.

Неплохой охладитель.
Недостатки. Низкая плотность (вдвое ниже чем у керосина). При некоторых режимах горения может разлагаться с выделением углерода в твердой фазе, что может привести к падению импульса из-за двухфазности течения и резкому ухудшению режима охлаждения в камере из-за отложения сажи на стенках КС. В последнее время идут активные НОР и НИОКР в области его применения (наряду с пропаном и природным газом) даже в направлении модификации уже сущ. ЖРД (в частности такие работы были проведены над РД-0120).

Или как «свежий» пример-американский Raptor engine от Space X:

К этим топливам можно отнести пропан и природный газ. Основные их характеристики, как горючих, близки (за исключением большей плотности и более высокой температуры кипения)к УВГ. И имеются такие же проблемы при их использования.

Особняком среди горючих позиционируется Водород-H2 (Жидкий: LH2).

Молярная масса водорода равна 2 016 г / моль или приближенно 2 г / моль.
Плотность (при н. у.)=0,0000899 (при 273 K (0 °C)) г/см³
Температура плавления=14,01K (-259,14 °C);
Температура кипения=20,28K (-252,87 °C);

Использование пары LOX-LH2 предложено еще Циолковским, но реализовано другими:

С точки зрения термодинамики Н2 идеальное рабочее тело как для самого ЖРД, так и для турбины ТНА. Отличный охладитель, при чем как в жидком, так и в газообразном состоянии. Последний факт позволяет не особо бояться кипения водорода в тракте охлаждения и использовать газифицированный таким образом водород для привода ТНА.
Такая схема реализована в Aerojet Rocketdyne RL-10-просто шикарный (с инженерной точки зрения) движок:

Наш аналог (даже лучше, т.к. моложе): РД-0146 (Д, ДМ) — безгазогенераторный жидкостный ракетный двигатель, разработанный Конструкторским бюро химавтоматики в Воронеже.

Особенно эффективен с сопловым насадком из материала «Граурис».

Высокий удельный импульс-в паре с кислородом 3835 м/с.

Из реально используемых это самый высокий показатель. Эти факторы обуславливают пристальный интерес к этому горючему. Экологически чист, на «выходе» в контакте с О2: вода (водяной пар).
Распространен, практически неограниченные запасы. Освоен в производстве. Нетоксичен.

Однако есть очень много ложек дегтя в этой бочке мёда.

1. Чрезвычайно низкая плотность. Все видели огромные водородные баки РН «Энергия» и МТКК «Шаттл». Из-за низкой плотности применим (как правило) на верхних ступенях РН.

Кроме того низкая плотность ставит непростую задачу для насосов: насосы водорода многоступенчатые для того что бы обеспечить нужный массовый расход и при этом не кавитировать.

По этой же причине приходится ставить т.н. бустерные насосные агрегаты горючего (БНАГ) сразу за заборным устройством в баках, дабы облегчить жизнь основному ТНА.

Насосы водорода для оптимальных режимов требуют значительно высокой частоты вращения.

2. Низкая температура. Криогенное топливо. Перед заправкой необходимо проводить многочасовое захолаживание (и/или переохлаждение) баков и всего тракта. Баки РН «Falocn 9FT» взгляд изнутри:

Подробнее о «сюрпризах»:
«МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОМАССООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ В ВОДОРОДНЫХ СИСТЕМАХ» Н0Р В.А. ГордеевВ.П. Фирсов, А.П. Гневашев, Е.И. Постоюк
ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева, КБ «Салют»; «Московский авиационный институт (Государственный технический университет)

В работе дана характеристика основных математических моделей тепломассообменных процессов в баке и магистралях водорода кислородно-водородного разгонного блока 12КРБ. Выявлены аномалии в подаче водорода в ЖРД и предложено их математическое описание. Модели отработаны в ходе стендовых и летных испытаний, что дало возможность на их базе прогнозировать параметры серийных разгонных блоков различных модификаций и принимать необходимые технические решения по совершенствованию пневмогидравлических систем.

Низкая температура кипения затрудняет хранение этого топлива.

3. Жидкий водород обладает некоторыми свойствами газа:

Коэффициент сжимаемости (pv/RT)при 273,15 К: 1,0006 (0,1013 МПа), 1,0124 (2,0266 МПа), 1,0644 (10,133 МПа), 1,134 (20,266 МПа), 1,277 (40,532 МПа);
Водород может находиться в орто- и пара-состояниях. Ортоводород (о-Н2) имеет параллельную (одного знака) ориентацию ядерных спинов. Пара-водород (п-Н2)-антипараллельную.
При обычных и высоких температурах Н2 (нормальный водород, н-Н2) представляет собой смесь 75% орто- и 25% пара-модификаций, которые могут взаимно превращаться друг в друга (орто-пара-превращение). При превращении о-Н2 в п-Н2 выделяется тепло (1418 Дж/моль).

Это всё накладывает дополнительные трудности в проектировании магистралей, ЖРД, ТНА, циклограммы работы, и особенно насосов.

4. Газообразный водород быстрее других газов распространяется в пространстве, проходит через мелкие поры, при высоких температурах сравнительно легко проникает сквозь сталь и другие материалы. Н2г обладает высокой теплопроводностью, равной при 273,15 К и 1013 гПа 0,1717 Вт/(м*К) (7,3 по отношению к воздуху).
Водород в обычном состоянии при низких температурах малоактивен, без нагревания реагирует лишь с F2 и на свету с Сl2. С неметаллами водород взаимодействует активнее, чем с металлами. С кислородом реагирует практически необратимо, образуя воду с выделением 285,75 МДж/моль тепла;

5. Со щелочными и щелочно-земельными металлами, элементами III, IV, V и VI группы периодической системы, а также с интерметаллическими соединениями водород образует гидриды. Водород восстанавливает оксиды и галогениды многих металлов до металлов, ненасыщенные углеводороды – до насыщенных (см. Гидрирование).
Водород очень легко отдает свой электрон. В растворе отрывается в виде протона от многих соединений, обусловливая их кислотные свойства. В водных растворах Н+ образует с молекулой воды ион гидроксония Н3О. Входя в состав молекул различных соединений, водород склонен образовывать со многими электроотрицательными элементами (F, О, N, С, В, Cl, S, Р) водородную связь.

Читайте также:  Двигатели ямз 236 установка меток

6. Пожароопастность и взрывоопасность. Можно не рассусоливать: гремучую смесь все знают.
Смесь водорода с воздухом взрывается от малейшей искры в любой концентрации — от 5 до 95 процентов.

Т.о. водород есть и Gut (даже Sehr Gut), и одновременно „головная боль“ (даже сильная боль головная).
Первый закон диалектики: „Единство и борьба противоположностей“ /Georg Wilhelm Friedrich Hegel/

Впечатляет Space Shuttle Main Engine (SSME)?

Вероятно увидев это и посчитав его стоимость (стоимость вывода на орбиту 1 кг ПН) законодатели и те кто рулит бюджетом США и NASA в частности… решили „ну его нафиг“.
Ия их понимаю- на РН „Союз“ и дешевле и безопаснее, да использование РД-180/181 снимает многие проблемы американских РН и существенно экономит деньги налогоплательщиков.

Самый лучший ракетный двигатель — это такой двигатель, который вы можете произвести/купить, при этом он будет обладать тягой в требуемом вам диапазоне (не слишком большой или маленькой) и будет эффективным настолько(удельный импульс, давление в камере сгорания), что его цена не станет неподъемной для вас.

Наиболее освоены водородные двигатели в США.
Сейчас мы позиционируемся на 3-4 месте в „Водородном клубе“ (после Европы, Японии и Китая/Индии).

Отдельно упомяну твёрдый и металлический водород.

Твёрдый водород—твёрдое агрегатное состояние водорода.
Температура плавления −259,2 °C (14,16 К).
Плотностью 0,08667 г/см³ (при −262 °C).
Белая снегоподобная масса, кристаллы гексагональной сингонии.

Шотландский химик Дж. Дьюар в 1899 году впервые получил водород в твёрдом состоянии.
Для этого он использовал регенеративную охлаждающую машину, основанную на эффекте Джоуля—Томсона.

Беда с ним. Он постоянно теряется: »Ученые потеряли единственный в мире образец металлического водорода».
Почему-то мне это напомнило «нанотанк Чубайса». Это нано-чудо не могут найти уже лет 7 или больше.

Анамезон, антивещество, метастабильный гелий пока оставлю за кадром.

Состояние при н.у.- бесцветная жидкость
Молярная масса=32.05 г/моль
Плотность=1.01 г/см³

Очень распространенное топливо.
Хранится долго, и его за это «любят». Широко используется в ДУ КА и МБР, т.е. там, где долгохранимость имеет критическое значение.

Кого смутил Iуд в размерности Н*с/кг отвечаю: это военное обозначение.
Ньютон — производная единица, исходя из второго закона Ньютона она определяется как сила, изменяющая за 1 секунду скорость тела массой 1 кг на 1 м/с в направлении действия силы. Таким образом, 1 Н = 1 кг·м/с 2 .
Соответственно: 1 Н*с/кг =1 кг·м/с 2 *с/кг=м/с.
Освоен в производстве.

Недостатки: токсичен, вонючий.

Для человека степень токсичности гидразина не определена. По расчётам S. Krop опасной опасной концентрацией следует считать 0,4 мг/л. Ch. Comstock с сотрудниками полагает, что предельно допустимая концентрация не должна превышать 0,006 мг/л. Согласно более поздним американским данным, эта концентрация при 8-часовой экспозиции снижена до 0,0013 мг/л. Важно отметить при этом, что порог обонятельного ощущения гидразина человеком значительно превышает указанные числа и равен 0,014-0,030 мг/л. Существенным в этой связи является и тот факт, что характерный запах ряда гидразинопроизводных ощущается лишб в первые минуты контакта с ними. В дальнейшем вследствие адаптации органов обоняния, это ощущение исчезает, и человек, не замечая того, может длительное время находиться в зараженной атмосфере, содержащей токсические концентрации названного вещества.

Пары гидразина при адиабатном сжатии взрываются.Склонен к разложению, что однако позволяет его использовать как монотопливо для ЖРД малой тяги (ЖРДМТ). В силу освоенности производства более распространен в США.

Несимметричный диметилгидразин (НДМГ)-H2N-N(CH3)2

Хим. формула:C2H8N2, Рац. формула:(CH3)2NNH2
Состояние при н.у.- жидкое
Молярная масса=60,1 г/моль
Плотность=0,79±0,01 г/см³

Широко используется на военных двигателях в следствие своей долгохранимости. При освоении технологии ампулирования-практически исчезли все проблемы.
Имеет более высокий импульс по сравнению с гидразином.

Плотность и удельный импульс с основными окислителями ниже керосина с теми же окислителями.
Самовоспламенятся с азотными окислителями. Освоен в производстве в СССР.
Любимое топливо В.П.Глушко. Не любимое топливо моего ОЗК и окружающей живой природы.

Могу написать целую статью про его гадкие свойства (на основе эксплуатации ЗРК С-200).

Используется, как правило, с азотными окислителями на ЖРД МБР, БРПЛ и КА.

Недостатки: крайне токсичен. Такая же «вонючка». На порядок дороже керосина.

Гидразин чрезвычайно ядовит

Для повышения плотности часто используют в смеси с гидразином-т.н. аэрозин-50, где 50-это процентное соотношение НДМГ. Более распространен в СССР.
А в реактивном двигателе французского истребителя-бомбардировщика Dassault Mirage III (хорошее видео-рекомендую) НДМГ используют как активизирующую добавку к традиционному топливу.

По поводу гидразиновых топлив.

Удельная тяга равна отношению тяги к весовому расходу топлива; в этом случае она измеряется в секундах (с = Н·с/Н = кгс·с/кгс). Для перевода весовой удельной тяги в массовую её надо умножить на ускорение свободного падения (примерно равное 9,81 м/с²)

За кадром остались:
Анилин, метил-, диметил-и триметиламины и CH3NHNH2-Метилгидразин (он же монометилгидразин или гептил) и пр.

Они не так распространены. Главное достоинство горючих группы гидразина-долгохранимость при использовании высококипящих окислителей. Работать с ними очень неприятно-токсичны горючие, агрессивные окислители, токсичны продукты сгорания.

На профессиональном жаргоне эти топлива называют «вонючими» или «вонючками».

Можно с высокой степенью уверенности сказать, что если на РН стоят «вонючие» двигатели, то «до замужества» она была боевой ракетой (МБР, БРПЛ или ЗУР-что уже редкость). Химия на службе армии.

Исключение, пожалуй, лишь РН Ariane- изделие кооператива: Aérospatiale, Matra Marconi Space, Alenia, Spazio, DASA и др. Её миновала в «девичестве» подобная участь боевой.

Военные практически все перешли на РДТТ, как более удобные в эксплуатации. Ниша для «вонючих» топлив в космонавтике сузилась до использования в ДУ КА, где требуется долгое хранение без особых материальных или энергетических затрат.
Пожалуй кратко обзор можно выразить графически:

Активно работают ракетчики с метаном. Особых эксплуатационных трудностей нет: позволяет неплохо поднять давление в камере (до 40 МПа) и получить хорошие характеристики.
(РД0110МД, РД0162. Метановые проекты. Перспективные многоразовые ракеты-носители) и остальными природными газами (СПГ).

ЦСКБ «Прогресс» предлагает создать ракетный двигатель, работающий на СПГ

О прочих направления по повышению характеристик ЖРД (металлизация горючих, использование Не2, ацетам и прочем) я напишу позже. Если будет интерес.
Использование эффекта свободных радикалов-хорошая перспектива.
Детонационное горение-возможность для долгожданного прыжка на Марс.

Послесловие (нормальное):

вообще все ракетные ТК (кроме НТК), а так же попытка изготовить их в домашних условиях- очень опасны. Предлагаю внимательно ознакомиться:

26-летний Крис Монгер, отец двоих детей, решил приготовить в домашних условиях ракетное топливо по инструкции, подсмотренной на YouTube. Смесь, которую он готовил на плите в кастрюле, ожидаемо взорвалась. В итоге мужик получил огромное количество ожогов и провел в больнице пять дней.

Все домашние (гаражные) манипуляции с такими химическими компонентами чрезвычайно опасны и к местам их разлива без ОЗК и противогаза-ЛУЧШЕ не подходить:

Как и с разлитой ртутью: звонить в МЧС, быстро приедут и всё профессионально подберут.

Послесловие, которое должно быть на самом деле

«украл», «не указывает источники», «не может ответить на элементарные вопросы » и т.д.

Я не упомянул монометилгидразин, метилгидразин и пр.

Химическая формула — О2 (мне нравится американское обозначение LOX).

У кого есть хотя бы один из значков: «Автор», «Звезда», «Легенда» или «Старожил»?

источник

Добавить комментарий

Adblock
detector