Ракетне паливо (РТ). Метан як перспективне ракетне пальне

Що перше спадає на думку при словосполученні «ракетні двигуни»? Звичайно ж, загадковий космос, Міжпланетні польоти, відкриття нових галактик і вабить сяйво далеких зірок. У всі часи небо притягувало до себе людину, залишаючись при цьому нерозгаданою таємницею, але створення першої космічної ракети і її запуск відкрили людству нові горизонти досліджень.

Ракетні двигуни за своєю суттю - це звичайні реактивні двигуниз однією важливою особливістю: для створення реактивної тяги в них не використовується атмосферний кисень як окислювач палива. Все, що потрібно для його роботи, знаходиться або безпосередньо в його корпусі, або в системах подачі окислювача і палива. Саме ця особливість і дає можливість використовувати ракетні двигуни у відкритому космосі.

Видів ракетних двигунів дуже багато і всі вони разюче відрізняються між собою не тільки особливостями конструкції, але і принципом роботи. Саме тому кожен вид потрібно розглядати окремо.

Серед основних робочих характеристик ракетних двигунів особливу увагуприділяється питомому імпульсу - відношенню величини реактивної тяги до маси витрачається за одиницю часу робочого тіла. Значення питомої імпульсу відображає ефективність і економічність двигуна.

Хімічні ракетні двигуни (ХРД)

Цей тип двигунів на сьогоднішній день є єдиним, який масово використовується для виведення в відкритий космос космічних апаратів, Крім того, він знайшов застосування і в військовій промисловості. Хімічні двигуни діляться на твердо і рідкопаливні в залежності від агрегатного стану ракетного палива.

Історія створення

Першими ракетними двигунами були твердопаливні, а з'явилися вони кілька століть назад в Китаї. З космосом їх тоді мало що пов'язувало, зате з їх допомогою можна було запускати військові ракети. Як паливо використовувався порошок, за складом нагадує порох, тільки процентне співвідношення його складових було змінено. В результаті при окисленні порошок не вибухають, а поступово згорав, виділяючи тепло і створюючи реактивну тягу. Такі двигуни зі змінним успіхом допрацьовувалися, удосконалювалися і поліпшувалися, але їх питома імпульс все одно залишався малим, тобто конструкція була неефективною і неекономічною. Незабаром з'явилися нові види твердого палива, що дозволяють отримати більший питомий імпульс і розвивати велику тягу. Над його створенням в першій половині ХХ століття працювали вчені СРСР, США і Європи. Уже в другій половині 40-х років був розроблений прототип сучасного палива, використовуваного і зараз.

Ракетний двигун РД - 170 працює на рідкому паливі і окислювачі.

Рідинні ракетні двигуни - це винахід К.Е. Ціолковського, який запропонував їх в якості силового агрегату космічної ракети в 1903 році. У 20-х роках роботи по створенню ЖРД почали проводитися в США, в 30-хх роках - в СРСР. Вже до початку Другої світової війни були створені перші експериментальні зразки, а після її закінчення ЖРД стали випускатися серійно. Використовувалися вони у військовій промисловості для оснащення балістичних ракет. У 1957 році вперше в історії людства був запущений радянський штучний супутник. Для його запуску використовувалася ракета, оснащена РЖД.

Пристрій і принцип роботи хімічних ракетних двигунів

Твердопаливний двигун вміщує в своєму корпусі паливо і окислювач в твердому агрегатному стані, причому контейнер з паливом - це одночасно і камера згоряння. Паливо зазвичай має форму стрижня з центральним отвором. В процесі окислення стрижень починає згоряти від центру до периферії, а гази, отримані в результаті згоряння, виходять через сопло, утворюючи тягу. Це найпростіша конструкція серед всіх ракетних двигунів.

У рідинних РД паливо і окислювач знаходяться в рідкому агрегатному стані в двох роздільних резервуарах. По каналах подачі вони потрапляють в камеру згоряння, де змішуються і відбувається процес горіння. Відпрацьовані гази виходять через сопло, утворюючи тягу. Як окислювач зазвичай використовується рідкий кисень, а паливо може бути різним: гас, рідкий водень і т.д.

Плюси і мінуси хімічних РД, їх сфера застосування

Перевагами твердопаливних РД є:

  • простота конструкції;
  • порівняльна безпеку в плані екології;
  • невисока ціна;
  • надійність.

Недоліки РДТТ:

  • обмеження за часом роботи: паливо згорає дуже швидко;
  • неможливість перезапуску двигуна, його зупинки і регулювання тяги;
  • невелику питому вагу в межах 2000-3000 м / с.

Аналізуючи плюси і мінуси РДТТ, можна зробити висновок, що їх використання виправдане тільки в тих випадках, коли потрібен силовий агрегат середньої потужності, досить дешевий і простий у виконанні. Сфера їх використання - балістичні, метеорологічні ракети, ПЗРК, а також бічні прискорювачі космічних ракет (ними оснащуються американські ракети, в радянських і російських ракетах їх не використовували).

Переваги рідинних РД:

  • високий показник питомої імпульсу (близько 4500 м / с і вище);
  • можливість регулювання тяги, зупинки і перезапуску двигуна;
  • меншу вагу і компактність, що дає можливість виводити на орбіту навіть великі багатотонні вантажі.

Недоліки ЖРД:

  • складна конструкція і пуско-налагоджувальні роботи;
  • в умовах невагомості рідини в баках можуть хаотично переміщатися. Для їх осадження потрібно використовувати додаткові джерела енергії.

Сфера застосування ЖРД - це в основному космонавтика, так як для військових цілей ці двигуни дуже дорогі.

Незважаючи на те, що поки хімічні РД - єдині здатні забезпечити виведення ракет у відкритий космос, їх подальше вдосконалення практично неможливо. Вчені та конструктори переконані, що межа їх можливостей вже досягнуто, а для отримання більш потужних агрегатів з великим питомим імпульсом необхідні інші джерела енергії.

Ядерні ракетні двигуни (ЯРД)

Цей тип РД на відміну від хімічних виробляє енергію ні до згорянні палива, а в результаті нагрівання робочого тіла енергією ядерних реакцій. ЯРД бувають ізотопними, термоядерними і ядерними.

Історія створення

Конструкція і принцип роботи ЯРД були розроблені ще в 50-хх роках. Уже в 70-хх роках в СРСР і США були готові експериментальні зразки, які успішно проходили випробування. Твердофазний радянський двигун РД-0410 з тягою в 3,6 тонни випробовувався на стендовій базі, а американський реактор «NERVA» повинен був встановлюватися на ракету «Сатурн V» до того, як спонсорування місячної програми було зупинено. Паралельно велися роботи і над створенням газофазних ЯРД. Зараз діють наукові програми по розробці ядерних РД, проводяться експерименти на космічних станціях.

Таким чином, діючі моделі ядерних ракетних двигунів вже є, але поки жоден з них так і не був задіяний поза лабораторій або наукових баз. Потенціал таких двигунів досить високий, але і ризик, пов'язаний з їх використанням, теж чималий, так що поки вони існують тільки в проектах.

Пристрій і принцип дії

Ядерні ракетні двигуни бувають газо-, рідко- і твердофазної в залежності від агрегатного стану ядерного палива. Паливо в твердофазних ЯРД - це ТВЕЛи, такі ж, як в ядерних реакторах. Вони знаходяться в корпусі двигуна і в процесі розпаду речовини, що ділиться виділяють теплову енергію. Робоче тіло - газоподібний водень або аміак - контактуючи з ТВЕЛ, поглинає енергію і нагрівається, збільшуючись в обсязі і стискаючись, після чого виходить через сопло під високим тиском.

Принцип роботи жидкофазного ЯРД і його пристрій аналогічно твердофазним, тільки паливо знаходиться в рідкому стані, що дозволяє збільшити температуру, а значить і тягу.

Газофазних ЯРД працюють на паливі в газоподібному стані. Зазвичай в них використовується уран. Газоподібне паливо може утримуватися в корпусі електричним полем або ж знаходиться в герметичній прозорою колбі - ядерної лампі. У першому випадку виникає контакт робочого тіла з паливом, а також частковий витік останнього, тому крім основної маси палива в двигуні повинен бути передбачений його запас для періодичного поповнення. У випадку з ядерної лампою витоку не відбувається, а паливо повністю ізольовано від потоку робочого тіла.

Переваги та недоліки ЯРД

Ядерні ракетні двигуни мають величезну перевагу в порівнянні з хімічними - це високий показник питомої імпульсу. Для твердофазних моделей його величина становить 8000-9000 м / с, для жидкофазная - 14000 м / с, для газофазних - 30000 м / с. Разом з тим, їх використання тягне за собою зараження атмосфери радіоактивними викидами. Зараз ведуться роботи по створенню безпечного, екологічного та ефективного ядерного двигуна, І головним «претендентом» на цю роль є газофазний ЯРД з ядерної лампою, де радіоактивна речовина знаходиться в герметичній колбі і не виходить назовні з реактивним полум'ям.

Електричні ракетні двигуни (ЕРД)

Ще один потенційний конкурент хімічних РД - електричний РД, що працює за рахунок електричної енергії. ЕРД може бути електротермічним, електростатичним, електромагнітним або імпульсним.

Історія створення

Перший ЕРД був сконструйований в 30-х роках радянським конструктором В.П. Глушко, хоча ідея створення такого двигуна з'явилася ще на початку ХХ століття. У 60-х роках вчені СРСР і США активно працювали над створенням ЕРД, і вже в 70-х роках перші зразки почали використовуватися в космічних апаратах як двигунів управління.

Пристрій і принцип роботи

Електроракетні рухова установка складається з самого ЕРД, будова якого залежить від його типу, систем подачі робочого тіла, управління та електроживлення. Електротермічний РД нагріває потік робочого тіла за рахунок тепла, що виділяється нагрівальним елементом, або в електричній дузі. Як робоче тіло використовується гелій, аміак, гідразин, азот та інші інертні гази, рідше - водень.

Електростатичні РД діляться на колоїдні, іонні та плазмові. У них заряджені частинки робочого тіла прискорюються за рахунок електричного поля. В колоїдних або іонних РД іонізація газу забезпечується іонізатором, високочастотним електричним полем або газорозрядної камерою. У плазмових РД робоче тіло - інертний газ ксенон - проходить через кільцевий анод і потрапляє в газорозрядну камеру з катод-компенсатором. при високій напрузіміж анодом і катодом спалахує іскра, іонізуюча газ, в результаті чого виходить плазма. Позитивно заряджені іони виходять через сопло з великою швидкістю, придбаної за рахунок розгону електричним полем, а електрони виводяться назовні катодом-компенсатором.

Електромагнітні РД мають своє магнітне поле - зовнішнє або внутрішнє, яке прискорює заряджені частинки робочого тіла.

Імпульсні РД працюють за рахунок випаровування твердого палива під дією електричних розрядів.

Переваги та недоліки ЕРД, сфера використання

Серед переваг ЕРД:

  • високий показник питомої імпульсу, верхня межа якого практично не обмежений;
  • мала витрата палива (робітника тіла).

недоліки:

  • високий рівень споживання електроенергії;
  • складність конструкції;
  • невелика тяга.

На сьогоднішній день використання ЕРД обмежена їх установкою на космічні супутники, А в якості джерел електроенергії для них застосовуються сонячні батареї. Разом з тим саме ці двигуни можуть стати тими силовими установками, які дадуть можливість досліджувати космос, тому роботи по створенню їх нових моделей активно ведуться в багатьох країнах. Саме ці силові установки найчастіше згадували фантасти у своїх творах, присвячених підкорення космосу, їх же можна зустріти і в науково-фантастичних фільмах. Поки саме ЕРД є надією на те, що люди все ж зможуть подорожувати до зірок.

  • тягу неможливо контролювати
  • після запалювання двигун не можна відключити або запустити повторно

Недоліки означають, що твердопаливні ракети корисні для нетривалих завдань (ракети) або систем прискорення. Якщо вам знадобиться управляти двигуном, вам доведеться звернутися до системи рідкого палива.

рідкопаливні ракети

У 1926 році Роберт Годдард випробував перший двигун на основі рідкого палива. Його двигун використовував бензин і рідкий кисень. Також він намагався вирішити і вирішив ряд фундаментальних проблем в конструкції ракетного двигуна, включаючи механізми накачування, стратегії охолодження і кермові механізми. Саме ці проблеми роблять ракети з рідким паливом такими складними.

Основна ідея проста. У більшості рідиннопаливних ракетних двигунах паливо і окислювач (наприклад, бензин і рідкий кисень) закачуються в камеру згоряння. Там вони згорають, щоб створити потік гарячих газів з високою швидкістю і тиском. Ці гази проходять через сопло, яке ще більше їх прискорює (від 8000 до 16 000 км / год, як правило), а після виходять. Нижче ви знайдете просту схему.

Ця схема не показує фактичні складності звичайного двигуна. Наприклад, норальное паливо - це холодний рідкий газ начебто рідкого водню або рідкого кисню. Однією з великих проблем такого двигуна є охолодження камери згоряння і сопла, тому холодна рідина спочатку циркулює навколо перегрітих частин, щоб охолодити їх. Насоси повинні генерувати надзвичайно високий тиск, щоб подолати тиск, який створює в камері згоряння спалюється паливо. Вся ця підкачка і охолодження робить ракетний двигун більше схожим на невдалу спробу сантехнічної самореалізації. Давайте подивимося на всі види комбінацій палива, використовуваного в рідиннопаливних ракетних двигунах:

  • Рідкий водень і рідкий кисень (основні двигуни космічних шатлів).
  • Бензин і рідкий кисень (перші ракети Годдарда).
  • Гас і рідкий кисень (використовувалися на першому місці «Сатурна-5» в програмі «Аполлон»).
  • Спирт і рідкий кисень (використовувалися в німецьких ракетах V2).
  • Чотириокис азоту / монометілгідразін (використовувалися в двигунах «Кассіні»).

Майбутнє ракетних двигунів

Ми звикли бачити хімічні ракетні двигуни, які спалюють паливо для виробництва тяги. Але є маса інших способів для отримання тяги. Будь-яка система, яка здатна штовхати масу. Якщо ви хочете прискорити бейсбольний м'ячик до неймовірної швидкості, вам потрібен життєздатний ракетний двигун. Єдина проблема при такому підході - це вихлоп, який буде тягнутися через простір. Саме ця невелика проблема призводить до того, що ракетні інженери воліють гази палаючим продуктам.

Багато ракетні двигуни вкрай малі. Наприклад, двигуни орієнтації на супутниках взагалі не створюють велику тягу. Іноді на супутниках практично не використовується паливо - газоподібний азот під тиском викидається з резервуара через сопло.

Нові конструкції повинні знайти спосіб прискорити іони або атомні частки до високої швидкості, щоб зробити тягу більш ефективною. А поки будемо намагатися робити і чекати, що там ще викине Елон Маск зі своїм SpaceX.

Як працюють ракетні двигуни?Ілля Хель

Паливо для рідинно-реактивного двигуна

Найважливіші властивості і характеристики рідинно-реактивного двигуна, та й сама конструкція його, перш за все залежать від палива, яке застосовується в двигуні.

Основною вимогою, яка пред'являється до палива для ЖРД, є висока теплотворна здатність, т. Е. Велика кількість тепла, що виділяється при згорянні 1 кгпалива. Чим більше теплотворна здатність, тим, за інших рівних умов, більша швидкість витоку і тяга двигуна. Більш правильним є порівняння різних тепла не по їх калорійності, а безпосередньо по швидкості витікання, яку вони забезпечують в рівних умовах, або, що те ж саме, по питомій тязі.

Крім цього головного властивості палив для ЖРД до них зазвичай пред'являються і деякі інші вимоги. Так наприклад, велике значення має питома вага палива, так як запас палива на літаку або ракеті зазвичай обмежується не його вагою, а об'ємом паливних баків. Тому чим щільніше паливо, т. Е. Чим більше його питома вага, тим більше по вазі увійде палива в ті ж паливні баки і, отже, буде більше тривалість польоту. Важливо також, щоб паливо не викликало корозії, т. Е. Роз`їдання іржею, деталей двигуна, було просто і безпечно в зберіганні та перевезенні, не було дефіцитним за джерелами сировини.

Найбільш часто в даний час в ЖРД застосовуються так звані двокомпонентні палива, т. Е. Палива роздільної подачі. Ці палива складаються з двох рідин, що зберігаються в окремих баках; одна з цих рідин, зазвичай звана пальним, найчастіше представляє собою речовина, що належить до класу вуглеводнів, т. е. складається з атомів вуглецю і водню, а іноді містить і атоми інших хімічних елементів - кисню, азоту та інших. Пальним цей компонент ( складову частину) Палива називають тому, що при його згорянні, т. Е. З'єднанні з киснем, виділяється значна кількість тепла.

Інший компонент палива, так званий окислювач, містить кисень, необхідний для згоряння, т. Е. Окислення пального, чому цей компонент і отримав назву окислювача. Окислювачем може служити чистий кисень в рідкому стані, а також озон або будь-якої кіслородоносітель, т. Е. Речовина, що містить кисень в хімічно зв'язаному вигляді: наприклад, перекис водню, азотна кислота і інші кисневі сполуки. Як відомо, в повітряно-реактивних двигунах, як і в звичайних двигунах внутрішнього згоряння, окислювачем служить кисень атмосфери.

У разі двокомпонентного палива обидві рідини по окремих трубопроводах подаються в камеру згоряння, де і відбувається процес горіння, т. Е. Окислення пального киснем окислювача. При цьому виділяється велика кількість тепла, внаслідок чого газоподібні продукти згоряння набувають високу температуру.

Поряд з двокомпонентними паливами існують і так звані однокомпонентні, або унітарні, палива, т. Е. Палива, що представляють собою одну рідина. Однокомпонентним паливом може служити або суміш двох речовин, що реагують лише в певних умовах, які створюються в камері, або яке-небудь хімічна речовина, при деяких умовах, зазвичай у присутності відповідного каталізатора, розкладається з виділенням тепла. Таким однокомпонентним паливом є, наприклад, високо-концентрована (міцна) перекис водню.

Перекис водню в якості однокомпонентного палива має лише обмежене застосування. Це пояснюється тим, що при реакції розкладання перекису водню з утворенням парів води і газоподібного кисню виділяється лише порівняно невелика кількість тепла. Внаслідок цього швидкість витікання виявляється відносно невисокою, практично вона не перевищує 1200 м / сек. Так як температура реакції розкладання невелика (близько 500 ° C), то таку реакцію зазвичай називають «холодної», на відміну від реакцій з згорянням, хоча б з тієї ж перекисом водню в якості окислювача, коли температура буває в кілька разів більше ( «гарячі »реакції). Ми потім познайомимося з випадками використання «холодної» реакції розкладання перекису водню.

Практично всі існуючі рідинно-реактивні двигуни працюють на двокомпонентному паливі. Однокомпонентні палива не застосовуються, так як при значній теплотворної здатності, більшою ніж 800 кал / кг, Вони вибухонебезпечні. Склад палива, т. Е. Вибір певної пари «пальне-окислювач», може бути при цьому самим різним, хоча в даний час перевага віддається декільком певним комбінаціям, які мають найбільш широке застосування. Разом з тим проводяться енергійні пошуки кращих палив для ЖРД, і в цьому плані справді є величезні можливості.

Застосовувані в даний час двокомпонентні палива зазвичай діляться на самореактивні, або самозаймисті, і несамореагірующіе, або палива примусового запалювання. Самозаймисте паливо, як показує сама назва, складається з таких компонентів «пальне - окислювач», які при змішуванні їх в камері згоряння двигуна самовоспламеняются. Реакція горіння починається відразу ж після зіткнення обох компонентів і йде до повного витрачання одного з них. Несамовоспламеняющихся паливо вимагає спеціальних пристосувань для займання суміші, т. Е. Для початку реакції горіння. Ці запальні пристосування - впорскування якихось самозаймистих рідин, різні піротехнічні запали, для порівняно малопотужних двигунів - електричне запалювання та інші, - необхідні, однак, тільки при запуску двигуна, так як потім нові порції палива, що надходить в камеру згоряння, спалахують від уже існуючого в камері постійного вогнища горіння або, як кажуть, факела полум'я.

В даний час застосовуються як самозаймисті, так і несамовоспламеняющихся палива і віддати перевагу якомусь одному з цих двох видів важко, так як обом типам палива властиві серйозні недоліки.

Несамовоспламеняющихся палива становлять велику небезпеку в експлуатації, так як через неполадки в запалюванні при запуску двигуна або можливих перебоїв в горінні при його роботі, в камері згоряння навіть за частки секунди накопичуються великі кількості палива. Це паливо, яке представляє собою сильно вибухову суміш, потім запалюється, що найчастіше веде до вибуху і катастрофи.

З іншого боку, відомі самозаймисті палива зазвичай менш калорійні, ніж несамовоспламеняющихся. Крім того, вони повинні застосовуватися спільно з додатковими речовинами, що забезпечують енергійне початок і подальше протікання реакції горіння. Ці додаткові речовини, так звані ініціюють речовини і каталізатори, що додаються або до окислювача, або до пального, ускладнюють визискування палива, так як воно стає при цьому неоднорідним (доводиться зважати на розшаровуванням і іншими властивостями неоднорідних рідин). Мабуть, найбільшим недоліком цих палив є пожежна небезпека при їх визискування. При найменшій течі компонентів палива на літаку або ракеті може виникнути пожежа, так як компоненти при змішуванні спалахують.

Ми згадаємо лише про найбільш поширених паливах. В якості окислювача в даний час найбільш часто застосовуються рідкий кисень і азотна кислота; застосовувалася також перекис водню. Кожен з цих окислювачів має свої переваги і недоліки. Рідкий кисень має ту перевагу, що є 100% -ним окислювачем, т. Е. Не містить в собі баластного речовини, що не бере участі в горінні (що має місце для інших двох окислювачів), внаслідок чого для згоряння того ж кількості пального рідкого кисню потрібно по вазі менше, ніж інших окислювачів. Одним з недоліків кисню є те, що він при звичайній температурі, як відомо, знаходиться в газоподібному стані, внаслідок чого для скраплення його доводиться охолоджувати до температури мінус 183 ° C і зберігати в спеціальних посудинах, типу дьюаровскіх, таких, наприклад, які застосовуються в термосах. Навіть в таких судинах кисень швидко випаровується, до 5% в день. Перекис водню, що застосовувалася в якості окислювача, мала дуже високу концентрацію, до 90%; виробництво перекису такої концентрації складно і було освоєно тільки в зв'язку з її застосуванням у якості окислювача для ЖРД. Концентрована перекис дуже нестійка, т. Е. Розкладається при зберіганні, яке тому стає серйозним завданням - для цієї мети застосовувалися різні стабілізуючі присадки. Азотна кислота незручна тим, що у водних розчинах викликає корозію багатьох металів (зазвичай вона зберігається в алюмінієвих баках).

Як горючих в даний час найчастіше застосовуються погони нафти - гас і бензин, а також спирт. Теоретично ідеальним пальним є рідкий водень, особливо з рідким киснем в якості окислювача, але його не застосовують, так як таке паливо становить велику небезпеку і його важко зберігати, а також тому, що рідкий водень має дуже невелику питому вагу (він майже в 15 раз легше води), внаслідок чого вимагає дуже великих паливних баків.

В даний час найбільш часто застосовують в якості палива для ЖРД або гас або бензин з азотною кислотою, або спирт з рідким киснем. Швидкість витікання, яку забезпечують ці палива в сучасних двигунах, коливається в межах 2000-2500 м / сек, Причому палива з азотною кислотою дають значення, що наближаються до нижнього із зазначених меж.

Від згоряння рідкого водню в рідкому кисні теоретично дало б найбільше значення швидкості витікання, рівне 3500 м / сек. Однак дійсне значення швидкості витікання при такому згорянні значно менше через різних втрат, зокрема, через так званої термічної дисоціації, т. Е. Розпаду продуктів згоряння, який відбувається при високій температурі в камері згоряння і пов'язаний з витратою тепла.

У зв'язку з більшою калорійністю (теплотворною здатністю) рідких палив в порівнянні з порохом швидкість витікання газів в ЖРД виходить більшою, ніж в порохових двигунах, саме 2000-2500 м / секзамість 1500-2000 м / сек. Для порівняння зазначимо, що при згорянні бензину в повітрі в сучасних повітряно-реактивних двигунах швидкість витікання продуктів горіння не перевищує 700-800 м / сек.

Слід зазначити, що застосовуються в даний час палива для ЖРД мають серйозні недоліки, в першу чергу недостатньою калорійністю, і тому не можуть вважатися задовільними. Підбір нових, поліпшених палив - одна з найважливіших завдань вдосконалення ЖРД. Однак більш нагальним завданням є розробка таких конструкцій РРД, які дозволили б повністю використовувати як кращі з існуючих, так і нові, більш досконалі, палива. Найважливіша вимога, яке при цьому пред'являється двигуну, це надійна робота при дуже високих температурах, що розвиваються при згорянні висококалорійних палив.

З книги Історія сміття. автора Сільгі Катрін де

Обігрів, ЕЛЕКТРИФІКАЦІЯ І ПАЛИВО НА метанового ОСНОВІ Органічні складові покидьків, перш за все харчові і рослинні залишки або папір, схильні до биоразложению. Воно протікає анаеробно (поза контактом з киснем), при цьому виділяється біогаз, що складається з

З книги Ракети і польоти в космос автора Лей Віллі

РАКЕТНЕ ПАЛИВО, МАСА РАКЕТИ І ТРАЄКТОРІЇ ПОЛЬОТІВ

автора Кунстлер Джеймс Говард

З книги Що нас чекає, коли закінчиться нафта, зміниться клімат, і вибухнуть інші катастрофи автора Кунстлер Джеймс Говард

З книги Визначення та усунення несправностей своїми силами в автомобілі автора Золотницький Володимир

Вихлоп двигуна димний. У картер двигуна надходить підвищений обсяг газів Діагностування двигуна за кольором диму з вихлопної труби Синьо-білий дим - нестійка робота двигуна. Робоча фаска клапана підгоріла. Оцінити стан газорозподільного

автора Кунстлер Джеймс Говард

З книги Що нас чекає, коли закінчиться нафта, зміниться клімат і вибухнуть інші катастрофи XXI століття автора Кунстлер Джеймс Говард

З книги Ремонт японського автомобіля автора Корнієнко Сергій

перегрів двигуна

З книги Ракетні двигуни автора Гільзін Карл Олександрович

Як влаштований і працює рідинно-реактивний двигун Рідинно-реактивні двигуни застосовуються в даний час в якості двигунів для важких ракетних снарядів протиповітряної оборони, далеких і стратосферних ракет, ракетних літаків, ракетних авіабомб,

З книги Над картою Батьківщини автора Михайлов Микола Миколайович

ПАЛИВО ВЕЛИКИХ МІСТ Чим ближче джерелапалива до споживача, тим менше витрати на транспорт. Але з зручністю розмістити паливну промисловість не так-то легко: є місця, де не знайдеш ні кам'яного, ні бурого вугілля. В якійсь мірі вугілля замінюється торфом, а й

автора

4. паливне господарство. ТВЕРДОЕ, рідкого і газоподібного палива 4.1. Загальні положення Питання 122. Що забезпечує облік всього палива за кількістю і якістю при його надходженні в організацію, витрачання на виробництво і зберіганні на складах і в резервуарах? Відповідь. при

З книги Правила технічної експлуатації теплових енергоустановок в питаннях і відповідях. Посібник для вивчення і підготовки до перевірки знань автора Красник Валентин Вікторович

4.2. Зберігання та підготовка палива Тверде паливо Питання 125. Яким обладнанням оснащуються склади твердого палива? Відповідь. Оснащуються обладнаній для розвантаження палива, укладання його в штабелі, навантаження, зважування, забезпечення умов зберігання палива (пошарові

З книги Правила технічної експлуатації теплових енергоустановок в питаннях і відповідях. Посібник для вивчення і підготовки до перевірки знань автора Красник Валентин Вікторович

Рідке паливо Питання 131. Які параметри пара при зливі мазуту необхідно забезпечити в паропроводах пріемослівного пристрої? Відповідь. Необхідно забезпечити такі параметри пара: тиск 0,8-1,3 МПа (8-13 кгс / см2) з температурою не вище 250 ° C.На мазутосліва (в цистернах,

З книги Теплоенергетичні установки. Збірник нормативних документів автора колектив авторів

З книги Довідник по будівництву і реконструкції ліній електропередачі напругою 0,4-750 кВ автора Узелков Борис

6.1.1. Паливо Бензин. Для забезпечення надійної роботи карбюраторних двигунів на всіх режимах бензини повинні мати: високою детонаційної стійкістю; оптимальним фракційним складом; малим вмістом смоло- і нагарообразующіх з'єднань і

З книги Правила технічної експлуатації теплових енергоустановок автора колектив авторів

4. паливне господарство. ТВЕРДОЕ, рідкого і газоподібного палива 4.1. Загальні положенія4.1.1. Експлуатація обладнання паливного господарства повинна забезпечувати своєчасну, безперебійну підготовку та подачу палива в котельню. Повинен забезпечуватися запас основного і

Паливо для рідинних ракетних двигунів, застосовуваних в складі космічних розгінних блоків і ступенів ракет-носіїв, містить пальне на основі метану і окислювач, при цьому в якості пального використовується суміш метану і етилену з Мольн вмістом метану від 5 до 25%. Застосування пропонованого палива на ракетоносіях середнього класу із загальним запасом палива 300 т дозволить знизити масу конструкції ракетоносія в порівнянні з застосуванням палива метан + кисень на ~ 2%, що еквівалентно збільшенню маси виведеного корисного вантажу на ~ 6,5%. У порівнянні з використанням палива гас + кисень маса виведеного корисного вантажу збільшиться на ~ 7,5%.

Пропоноване паливо призначене для використання в рідинних ракетних двигунах (ЖРД), що застосовуються в складі космічних розгінних блоків (РБ) і ступенів ракетоносіїв (РН).

Аналогом даного палива є паливо гас + кисень.

Рідкий кисень в даний час є одним з найбільш поширених окислювачів в паливах ЖРД. Це пов'язано з тим, що рідкий кисень є екологічно безпечним компонентом палива.

При цьому він дешевий, не токсичний, помірно пожежонебезпечний і забезпечує досить високі енергетичні характеристики палив. Наприклад, паливо гас + кисень при тиску в КС 70 ата і геометричній ступеня розширення сопла 40 забезпечує питому пустотний імпульс на ~ 8% більший, ніж паливо гас + AT, де в якості окислювача використовується азотний тетраксід.

Гас є вуглеводневу пальне, що є сумішшю природних вуглеводнів, одержуваних при перегонці нафти. Отримання гасу з природної нафти обумовлює його відносну дешевизну. Крім того, гас є малотоксичних речовиною, що належать до 4-му (нижчого) класу небезпеки, помірно пожежонебезпечний і має досить високою щільністю, Що позитивно позначається на його експлуатаційних перевагах.

В цілому паливо гас + кисень, є ефективним паливом з досить високою щільністю ~ 1000 кг / м 3 і досить високим питомим імпульсом витікання продуктів його згоряння, що дозволяє досить ефективно вирішувати існуючі задачі, що стоять перед сучасними засобами виведення.

До недоліків палива гас + кисень відносяться: відносно велика різниця температур експлуатації рідкого кисню (~ 90 К) і гасу (~ 290 К), що вимагає прийняття спеціальних заходів, що компенсують температурні напруги, що виникають в баку зберігання окислювача при заправці його рідким киснем, і необхідність використання баків зберігання компонентів з роздільними днищами і значною теплоізоляцією між баками. Це веде до істотного збільшення маси баків зберігання компонентів і до збільшення обсягу, займаного баками зберігання компонентів палива в руховій установці, що також збільшує масові витрати на зберігання палива.

Прототипом запропонованого палива є паливо метан + кисень.

Метан є основною складовою природних газів, тому його виробництво, за оцінками, буде навіть дешевше, ніж виробництво гасу. За енергетичними характеристиками це паливо перевершує паливо гас + кисень: при зазначених вище тисках в КС і геометричній ступеня розширення сопла питомий імпульс палива метан + кисень буде вище питомої імпульсу палива гас + кисень на ~ 4%.

Однак метан навіть при температурі 91 К (температура його плавлення 90,66 К) має низьку щільність 455 кг / м 3, при цьому щільність палива метан + кисень всього 830 кг / м 3, що призводить до збільшення масових витрат на його зберігання з огляду на необхідність збільшення обсягу баків зберігання компонентів.

Низька щільність палива метан + кисень і неможливість переохолодження кіслорда при використанні баків зберігання компонентів палива з суміщеними днищами ведуть до того, що для космічних РБ істотно (на 20% в порівнянні з гас + кисень) знижується час можливого зберігання палива в навколоземному просторі.

Оскільки температура плавлення метану вище температури кипіння кисню при тиску 1 ата (тобто вище 90 К), то використання баків зберігання компонентів палива з суміщеними днищами навіть для киплячого при 1 ата кисню (а тим більше при використанні переохолодженого кисню, який кипить при більш низькому тиску) неможливо без використання межбаковой теплоізоляції.

Крім того, оскільки бак пального заправлений криогенним метаном, то його треба теплоізолювати від зовнішніх теплопритоків, що додатково збільшує масові витрати на зберігання палива.

Все це веде до істотного в порівнянні з паливом гас + кисень збільшення маси і габаритів баків зберігання палива метан + кисень, що значно, а в деяких випадках аж до нуля, знижує ефект, який можна було б отримати від більш високої питомої імпульсу прототипу.

Завданням винаходу є збільшення щільності палива і, як наслідок, масових витрат на його зберігання в паливних баках. Енергетичні характеристики палива при цьому не погіршуються в порівнянні з прототипом.

Це досягається при застосуванні палива, що містить пальне і окислювач, де в якості пального використовується суміш метану і етилену з Мольн вмістом метану від 5 до 25%.

При зазначеному змісті метану температура затвердіння такого пального менше 90 К, тобто при використанні в якості окислювача, наприклад, киплячого рідкого кисню баки окислювача і пального можуть мати загальне днище, не покриті теплоізоляцією.

Крім того, пропоноване паливо для зазначеного інтервалу мольної співвідношення метан - етилен матиме щільність від 900 до 970 кг / см 3, що порівнянно з щільністю палива гас + кисень, а з урахуванням великої теплоємності пального в пропонованому паливі можливий час перебування космічних РБ в навколоземному просторі буде таким же, як при використанні палива гас + кисень.

При цьому проведені термодинамічні розрахунки показали, що питома імпульс продуктів закінчення пропонованого палива буде таким же, як для палива метан + кисень.

Застосування пропонованого палива на РН середнього класу із загальним запасом палива 300 т дозволить знизити масу конструкції РН в порівнянні з застосуванням палива метан + кисень на ~ 2%, що еквівалентно збільшенню маси виведеного корисного вантажу на ~ 6,5%. У порівнянні з використанням палива гас + кисень маса виведеного корисного вантажу збільшиться на ~ 7,5%.

Метан, як уже зазначалося вище, є основною складовою природних газів, а етилен є широко поширеним сировиною для хімічної промисловості (наприклад, при виробництві поліетилену), тому виробництво пального для такого палива не зажадає створення нових виробництв і може бути освоєно в досить короткі терміни.

Вартість пропонованого палива за оцінками буде порівнянна з вартістю палива гас + кисень.

Список використаних джерел 1. Основи теорії і розрахунку рідинних ракетних двигунів / в 2-х книгах / за ред. В. М. Кудрявцева, изд. 4-е перераб. і доп. - М. "Вища школа", 1993. - кн.1, стр.130-134.

2. Паушкін Я. М. Хімічний складі властивості реактивних палив. - М. Видавництво академії наук СРСР, 1958.- 376 с., Іл. стр.302.

3. Сінярев Г.Б. Рідинні ракетні двигуни. - М. Державне видавництво оборонної промисловості. 1955. -488 с., Іл. стор.159 - 161.

4. Довідник по фізико-технічних основах кріогеникі. /М.П.Малков.- 3-е изд., Перераб. і доп. - М.: Вища школа, 1985, -432 с., Іл. стр.217.

5. Довідник з розділення газових сумішей методом глибокого охолодження. / І. І. Гельперин. - 2-е изд., Перераб. - М. Державне науково-технічне видавництво хімічної літератури, 1963. - 512 с., Іл. стр.232.

6. Термодинамічні і теплофізичні властивості продуктів згорання / в 3-х томах / під ред. В.П. Глушко, - М. Всезоюзний інститут наукової і технічної інформації. 1968, т. 2, стр.177-308.

Паливо для рідинних ракетних двигунів, що містить пальне на основі метану і окислювач, що відрізняється тим, що в якості пального використовується суміш метану і етилену з Мольн вмістом метану від 5 до 25%.

Схожі патенти:

Винахід відноситься до способу роботи двигуна літального апарату, Що діє за принципом реактивного руху

Винахід відноситься до ракетно-космічній техніці і стосується конструкції рідинних ракетних двигунів (РРД), що працюють на криогенном паливі, зокрема двигунів ракетних блоків і космічних апаратів, що використовують в якості компонентів палива кріогенний окислювач рідкий кисень і вуглеводневу пальне

У загальному випадку нагрів робочого тіла присутній як складова робочого процесу теплового ракетного двигуна. Причому наявність джерела теплоти - нагрівача формально обов'язково (в окремому випадку його теплова потужність може дорівнювати нулю). Тип його можна характеризувати видом енергії, що переходить в теплоту. Таким чином отримуємо ознака класифікації, за яким теплові ракетні двигуни по виду енергії, що перетворюється в теплову енергію робочого тіла, діляться на електричні, ядерні (рис.10.1.) І хімічні (рис 13.1, рівень 2).

Схема, конструкція і досяжні параметри ракетного двигуна на хімічному паливі багато в чому визначаються агрегатним станом ракетного палива. Ракетні двигуни на хімічному паливі (в зарубіжній літературі іноді звані хімічними ракетними двигунами) за цією ознакою діляться на:

рідинні ракетні двигуни - ЖРД, компоненти палива яких в стані зберігання на борту - рідина (рис. 13.1, рівень 3; фото, фото),

ракетні двигуни твердого палива - РДТТ (рис. 1.7, 9.4, фото, фото),

гібридні ракетні двигуни - ГРД, компоненти палива яких знаходяться на борту в різних агрегатних станах (рис. 11.2).

Очевидною ознакою класифікації двигунів на хімічному паливі є число компонентів ракетного палива.

Наприклад, ЖРД на однокомпонентному або на двокомпонентному паливі, ГРД на трехкомпонентном паливі (по зарубіжній термінології - на трібрідном паливі) (рис. 13.1, рівень 4).

За конструктивними ознаками можлива класифікація ракетних двигунів з виділенням десятків рубрик, але основні відмінності у виконанні цільової функції визначаються схемою подачі компонентів в камеру згоряння. Найбільш характерна класифікація за цією ознакою ЖРД.

Класифікація ракетних палив.

РТ поділяються на тверді і рідкі. Тверді ракетні палива мають ряд переваг перед рідкими, вони довго зберігаються, не діють на оболонку ракети, не становлять небезпеки для працюючого з ним персоналу в зв'язку з низькою токсичністю.

Однак вибуховий характер їх горіння створює труднощі в їх застосуванні.

До твердих ракетним паливвідносяться баллістние і кордітние пороху на основі нітроцелюлози.

Рідинний реактивний двигун, ідея створення якого належить К.Е.Ціолковського, найбільш поширений в космонавтиці.

Рідкі РТ можуть бути однокомпонентними і двокомпонентними (окислювач і горючі).

До окислювача відносяться: азотна кислота і окисли азоту (двоокис, чотириокис), перекис водню, рідкий кисень, фтор та його сполуки.

Як пальне використовується гас, рідкий водень, гідразину. Найбільш широко використовується гідразин і несиметричний диметилгидразин (НДМГ).

Речовини, що входять до складу рідких РТ мають високу агресивністю і токсичністю до людини. Тому перед медичною службою стоїть проблема проведення профілактичних заходів щодо захисту особового складу від гострих і хронічних отруєнь КРТ, організації надання невідкладної допомоги при ураженнях.

У зв'язку з цим і вивчаються патогенез, клініка уражень, розробляються засоби надання невідкладної допомоги та лікування уражених, створюються засоби захисту шкіри та органів дихання, встановлюються ГДК різних КРТ і необхідні гігієнічні норми.

Ракети-носії і рухові установки різних космічних апаратів є переважною сферою застосування ЖРД.

До переваг ЖРД можна віднести наступні:

Найвищий питома імпульс в класі хімічних ракетних двигунів (понад 4 500 м / с для пари кисень-водень, для гас-кисень - 3 500 м / с).

Керованість по тязі: регулюючи витрата палива, можна змінювати величину тяги в великому діапазоні і повністю припиняти роботу двигуна з подальшим повторним запуском. Це необхідно при маневруванні апарату в космічному просторі.

При створенні великих ракет, наприклад, носіїв, які виводять на навколоземну орбіту багатотонні вантажі, використання ЖРД дозволяє домогтися вагового переваги в порівнянні з твердопаливними двигунами (РДТТ). По-перше, за рахунок більш високої питомої імпульсу, а по-друге за рахунок того, що рідке паливо на ракеті міститься в окремих баках, з яких воно подається в камеру згоряння за допомогою насосів. За рахунок цього тиск в баках істотно (в десятки разів) нижче, ніж в камері згоряння, а самі баки виконуються тонкостінними і щодо легкими. У РДТТ контейнер палива є одночасно і камерою згоряння, і повинен витримувати високий тиск (десятки атмосфер), а це тягне за собою збільшення його ваги. Чим більше обсяг палива на ракеті, тим більше розмір контейнерів для його зберігання, і тим більше позначається вагове перевага ЖРД в порівнянні з РДТТ, і навпаки: для малих ракет наявність турбонасосного агрегату зводить нанівець цю перевагу.

Недоліки ЖРД:

ЖРД і ракета на його основі значно складніше влаштовані, і більш дорогі, ніж еквівалентні по можливостям твердопаливні (незважаючи на те, що 1 кг рідкого палива в кілька разів дешевше твердого). Транспортувати рідинну ракету необхідно з великою осторогою, а технологія підготовки її до пуску складніша, трудомістка і вимагає більше часу (особливо при використанні зріджених газів в якості компонентів палива), тому для ракет військового призначення перевагу в даний час виявляється твердопаливним двигунів, з огляду на їх більш високої надійності, мобільності і боєготовності.

Компоненти рідкого палива в невагомості некеровано переміщаються в просторі баків. Для їх осадження необхідно застосовувати спеціальні заходи, наприклад, включати допоміжні двигуни, що працюють на твердому паливі або на газі.

В даний час для хімічних ракетних двигунів (в тому числі і для ЖРД) досягнута межа енергетичних можливостей палива, і тому теоретично не передбачається можливість істотного збільшення їх питомої імпульсу, а це обмежує можливості ракетної техніки, що базується на використанні хімічних двигунів, вже освоєними двома напрямками :

Космічні польоти в навколоземному просторі (як пілотовані, так і безпілотні).

Дослідження космосу в межах Сонячної системи за допомогою автоматичних апаратів (Вояджер, Галілео).

омпонента палива

Вибір компонентів палива є одним з найважливіших рішень при проектуванні ЖРД, що зумовлює багато деталей конструкції двигуна і наступні технічні рішення. Тому вибір палива для ЖРД виконується при всебічному розгляді призначення двигуна і ракети, на якій він встановлюється, умов їх функціонування, технології виробництва, зберігання, транспортування до місця старту і т. П.

Одним з найважливіших показників, що характеризують поєднання компонентів є питомий імпульс, який має особливо важливе значення при проектуванні ракет-носіїв космічних апаратів, так як від нього в найсильнішому ступені залежить співвідношення маси палива і корисного вантажу, а отже, розміри і маса всієї ракети (див . Формула Ціолковського), які при недостатньо високому значенні питомої імпульсу можуть виявитися нереальними. У таблиці 1 наведені основні характеристики деяких поєднань компонентів рідкого палива.

Крім питомої імпульсу при виборі компонентів палива, вирішальну роль можуть зіграти і інші показники властивостей палива, в тому числі:

Щільність, впливає на розміри баків компонентів. Як випливає з табл. 1, водень є пальним, з найбільшим питомим імпульсом (при будь-якому окислителе), однак він має вкрай низькою щільністю. Тому перші (найбільші) ступені ракет-носіїв зазвичай використовують інші (менш ефективні, але більш щільні) види пального, наприклад, гас, що дозволяє зменшити розміри першого ступеня до прийнятних. Прикладами такої «тактики» служать ракета Сатурн-5, перший ступінь якої використовує компоненти кисень / гас, а 2-а і 3-я щаблі - кисень / водень, і система Спейс Шаттл, в якій в якості першого ступеня використані твердопаливні прискорювачі.

Температура кипіння, яка може накладати серйозні обмеження на умови експлуатації ракети. За цим показником компоненти рідкого палива підрозділяють на криогенні - охолоджені до вкрай низьких температур зріджені гази, і висококиплячі - рідини з температурою кипіння вище 0 ° C.

Кріогенні компоненти не можуть довго зберігатися, і транспортуватися на великі відстані, тому вони повинні виготовлятися (принаймні скраплюватися) на спеціальних енергоємних виробництвах, що знаходяться в безпосередній близькості від місця старту, що робить пускову установку абсолютно немобильной. Крім цього, криогенні компоненти мають і іншими фізичними властивостями, котрі висувають додаткові вимоги до їх використання. Наприклад, наявність навіть незначної кількості води або водяної пари в ємностях із зрідженими газами призводить до утворення дуже твердих кристалів льоду, які при попаданні в паливну систему ракети впливають на її частині як абразивний матеріал і можуть стати причиною важкої аварії. За час багатогодинної підготовки ракети до старту на ній намерзає велика кількість інею, що перетворюється в лід, і падіння його шматків з великої висоти становить небезпеку для персоналу, зайнятого в підготовці, а також для самої ракети і стартового обладнання. Зріджені гази після заправки ними ракети починають випаровуватися, і до моменту старту їх потрібно безперервно поповнювати через спеціальну систему підживлення. Надлишок газу, що утворюється при випаровуванні компонентів, необхідно відводити таким чином, щоб окислювач змішувався з пальним, утворюючи вибухову суміш.

Висококиплячі компоненти набагато зручніші при транспортуванні, зберіганні і оперуванні з ними, тому в 50-ті роки ХХ ст вони витіснили криогенні компоненти з області військового ракетобудування. Надалі ця область все більшою мірою стала займатися твердим паливом. Але при створенні космічних носіїв криогенні палива поки зберігають своє становище за рахунок високої енергетичної ефективності, а для виконання маневрів в космічному просторі, коли паливо має зберігатися в баках місяцями, а то й роками, найбільш прийнятними є висококиплячі компоненти. Ілюстрацією такого «поділу праці» можуть служити ЖРД, задіяні в проекті Аполлон: все три ступені ракети-носія Сатурн-5 використовують кріогенні компоненти, а двигуни місячного корабля, призначені для корекції траєкторії і для маневрів на навколомісячної орбіті, - висококиплячі несиметричний диметилгидразин і тетраоксид діазота.

Хімічна агресивність. Цим якістю володіють всі окислювачі. Тому наявність в баках, призначених для окислювача, навіть незначних кількостей органічних речовин (наприклад, жирових плям, залишених людськими пальцями) може призвести до пожежі, внаслідок якого може спалахнути матеріал самого бака (алюміній, магній, титан і залізо дуже енергійно горять в середовищі ракетного окислювача ). Через агресивності окислювачі, як правило, не використовуються в якості теплоносіїв в системах охолодження РРД, а в газогенераторах ТНА, для зниження теплового навантаження на турбіну робоче тіло перенасичується пальним, а не окислювачем. При низьких температурах рідкий кисень є, мабуть, самим безпечним окислювачем, тому, що альтернативні окислювачі, такі як азотний тетраоксид або концентрована азотна кислота вступають в реакцію з металами, і хоча вони є висококиплячих окислювачами, які можуть довго зберігатися при нормальній температурі, час служби баків, в яких вони знаходяться, обмежена.

Токсичність компонентів палива і продуктів їх горіння є серйозним обмежувачем їх використання. Наприклад, фтор, як випливає з табл.1., Як окислювач, більш ефективний, ніж кисень, проте в парі з воднем він утворює фтороводород - речовина вкрай токсична і агресивне, і викид кількох сотень, тим більше, тисяч тонн такого продукту згоряння в атмосферу при запуску великої ракети, сам по собі є великою техногенною катастрофою, навіть при вдалому запуску. А в разі аварії, і розливу такої кількості цієї речовини, збиток не піддається обліку. Тому фтор не використовується в якості компонента палива. Токсичними є і тетраоксид азоту, азотна кислота і несиметричний диметилгидразин. В даний час віддається перевага (з екологічної точки зору) окислювачем є кисень, а пальним - водень, за яким слід гас.

2021 wisemotors.ru. Як це працює. Залізо. Майнінг. Криптовалюта.