Жидкостные ракетные двигатели (стр. 8 из 36)

Низкая плотность и низкая температура кипения жидкого водорода затрудняют его использование в ракетах для продолжительных космических полетов. В связи с этим перспективным представляется применение шугообраз-ного водорода. Содержание твердого водорода в двухфазной смеси может составлять около 50 %. Основные преимущества шугообразного водорода перед обычным — повышенная плотность и увеличенная хладоемкость, а, следовательно, увеличение времени хранения. Использование гелей шуги водорода может облегчить решение проблемы относительно длительного хранения жидкого водорода в космических условиях.

Значительное внимание уделяется криогенным углеводородным горючим, полученным на основе низкомолекулярных газообразных углеводородов: метана

этана пропана и др. Эти углеводороды доступны, могут храниться в условиях космического пространства, имеют низкую стоимость и сравнительно высокие значения удельного импульса при использовании в паре с жидким кислородом. Жидкий метан, например, является еще и хорошим охладителем, позволяет получать восстановительный генераторный газ, не содержащий конденсата. Газообразный метан может быть нагрет в рубашке охлаждения ЖРД до 1000 К. Все это делает перспективным применение криогенных углеводородов (возможно в шугообразиом состоянии) для мощных марщевых двигателей ракет-носителей и для двигателей космических аппаратов с длительным пребыванием в космосе.

Так, например, следуя букве и духу концепции двигательных установок на экологически чистых и дешевых компонентах топлива. КБ химической автоматики им. С. А. Косберга (Воронеж) в инициативном порядке приступило к освоению топлива «жидкий кислород - сжиженный природный газ» («ЖК -СПГ»). Природный газ на 98% по объему- содержит метан и оценивается ведущими специалистами отрасли как топливо, наиболее полно удовлетворяющее требованиям к двигателям нового поколения.

При первом огневом испытании экспериментального двигателя на топливе ЖК-СПГ 30 апреля 1998 г. выполнены работы по проверке работоспособности стендовых систем, отработке технологии заправки метаном, термостати-рования ЖРД перед пуском, исследования характеристик запуска и выхода двигателя на основной режим.

Цели и задачи начального (демонстрационного) этапа освоения нового топлива выполнены. Полученные экспериментальные данные и приобретенный опыт работ с СПГ позволяет перейти к проектированию и подготовке огневых испытаний ЖРД нового поколения.

По контрактам с Корпорацией КОМПО-МАШ и Центромим. М. В. Келдыша проведена расчетно-конструкторская, материаловедческая и технологическая проработка ряда новых двигателей.

Большое внимание уделяется улучшению свойств высококипящих углеводородных горючих. Разрабатываются углеводородные горючиенефтяного происхождения и синтетические, с улучшенными физико-химическими свойствами, повышенной плотностью и т. п. В США создано углеводородное горючее RJ-5, имеющее плотность, существенно более высокую, чемкеросин.

42

Среди исследуемых двухкомпонентных топлив, окислитель и горючее которых являются химически устойчивыми индивидуальными веществами, топливо фтор + водород является наиболее эффективным из всех известных. Вместе с высоким удельным импульсом эти топливо имеет и сравнительно высокую плотность вследствие высокой плотности жидкого фтора и большого значения оптимального соотношения компонентов. Несмотря на высокую токсичность и агрессивность фтора и продуктов сгорания, освоение этого топлива рассматривается как дальнейшее развитие и улучшение уже освоенного топлива 0₂ + Н₂.

Комбинация F_2,ж+N₂Н₄ и имеет сравнительно высокие значения удельного импульса и плотности. Охлаждающие свойства гидразина позволяют преодолеть трудности теплозащиты, связанные с высокой температурой горения. Специальные добавки, не влияющие на энергетику, устраняют опасность разложения и взрыва гидразина при использовании его для регенеративного охлаждения.

Исследуемые высококипящие топлива сравнительно немногочисленны. Согласно публикуемым материалам наиболее эффективным по удельному импульсу является топливо на основе высококонцентрированной перекиси водорода с пентабораном. Пентаборан чрезвычайно токсичен и самовоспламеняется в воздухе. Однако найдены присадки, устраняющие эту опасность (температура самовоспламенения повышается на 100 К). К недостаткам рассматриваемого топлива относят высокую температуру плавления концентрированной перекиси водорода. В то же время стабильность Н₂0₂ достаточна для применения во многих случаях: чистые растворы концентрированной Н₂0₂ разлагаются со скоростью, меньшей 0,6% в год.

Топливо N₂0₄ + B₅H₉ имеет существенно меньшее теоретическое значение удельного импульса, но более высокую плотность и стабильность, оба его компонента пригодны для применения в системах с предварительной заправкой и герметизацией емкости.

Среди выосокоэнергетических горючих внимание привлекают металлы Be, Li, A1 и их гидриды. При горении этих металлов в кислороде и фторе на единицу массы продуктов сгорания (окислов и фторидов) выделяется больше теплоты, чем, например, при горении водорода. Кроме этого, указанные металлы имеют довольно высокую плотность. Согласно термодинамическим расчетам применение добавок легких металлов, главным образом Be, может обеспечить существенное повышение энергетических характеристик топлив.

Применение металлических добавок к топливу на основе жидкого водорода снижает плотность топлива, что связано с уменьшением количества окислителя в топливе и увеличением количества водорода при оптимальных соотношениях. Оптимальным соотношением всех компонентов является примерно такое, когда весь окислитель расходуется на стехиометрическое окисление металла, а водород добавляется до достижения максимального удельного импульса.

Аналогичные данные показывают возможности повышения характеристик некоторых высококипящих топлив путем использования металлических добавок.

43

Для высококипящих топлив также характерно уменьшение оптимального количества окислителя при добавлении металла, однако из-за более высокой плотности горючих по сравнению с Н₂,ж, добавление металла, более тяжелого, чем оба компонента, повышает плотность топлива.

Из гидридов металлов особый интерес представляет ВеН₂ и А1Н₃.

Плотность этих веществ довольно высока и равна 0.63 и 1.48г/см³ соответственно. Идеальный удельный импульс в пустоте топлива Н₂0₂ - ВеН₂ при оптимальном соотношении компонентов составляет 4800 м/с. т. е. близок к удельному импульсу топлива F₂ + H₂. Это наиболее высокая характеристика для высококипящих топлив, горючее и окислитель которых являются индивидуальными веществами.

Вследствие высокой теоретической эффективности металлосодержащих топлив оправданным становится поиск решения вопросов их практического использования. Одной из важных проблем является проблема хранения и подачи металла в камеру сгорания. Важным также является поиск путей реализации высокого импульса в связи с потерями из-за неравновесного течения двухфазной смеси в сопле, а также связанными с защитой камеры, от воздействия конденсированных частиц. Содержание конденсата (окислов алюминия, бериллия и др.) в продуктах сгорания при оптимальном соотношении компонентов составляет до 40 % по массе, рис.27.

Рис.27

Гелеобразные топлива исследуют в связи с решением задачсоздания хранимой однородной суспензии металлов в компонентах топлива, увеличения срока хранения криогенных компонентов топлив в условияхнесовместимости, улучшения эксплуатационных характеристик топлив (гелирование способству-ет быстрому затуханию колебаний в баке) и т. д. Создание новыхгелеобразных топлив и комбинирование современных окислителей с гелеобразнымигорючими позволит существенно уменьшить размеры крупных ракет-носителей.

При получении гелеобразных топлив обычно используются химически активные или механические гелеобразователи. В качестве химически активных гслеобразователей применяют высшие жирные кислоты и их соли (мыла), высокомолекулярные соединения (полимеры), тяжелые углеводороды. Механическими гелеобразователями могут служить тонкоизмельченные металлы (разме-ром 0,8 ... 3 мкм) и их соединения, силикагель, сажа, глина и т.д.

Используя с загущенным органическими горючими наполнители, представляющие собой порошкообразный окислитель, и высокоэнергетические добавки, получают гелеобразные монотоплива. В загущенном состоянии монотоплива похожи на твердые ракетные топлива, обладая, например, способностью выдерживать большие перегрузки. В отличие от твердых ракетных топлив гелеобразные монотоплива могут прокачиваться по трубопроводам; их приготовление можно организовать непосредственно на стартовой позиции, отработка рецептур таких топлив происходит более быстрыми темпами и имеет более низкую стоимость, а возможности варьирования рецептуры гелеобразных составов гораздо шире, так как их не нужно отверждать.