22

Оглавление.

1. Введение. 2

2. Некоторые исторические аспекты вопросов применения метана в качестве горючего ЖРД. 3

3. Основные характеристики метана и метанового топлива ЖРД. 5

4. Отечественные работы по метановым двигателям. 10

5. Проекты ракето-носителей на метано-кислородном топливе. 15

6. Выводы. 20

7. Список использованной литературы. 21

Вопросы применения метана

в качестве горючего жидкостных ракетных двигателей.

1. Введение.

Анализ открытых публикаций в отечественных и зарубежных периодических изданиях ракетно-космического профиля различного уровня зафиксировал информационный всплеск по вопросу применения метана в качестве компонента топлива для жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Необходимо отметить, что под термином «метан», как правило, в современных изданиях подразумевается или декларируется использование сжиженного природного газа (СПГ), в составе которого метана может содержаться до 99% (1). В научно-технических работах начала двадцатого века, например у К.Э. Циолковского (2), при рассмотрении темы применения метана в качестве компонента жидкого ракетного топлива (ЖРТ) используется ключевое словосочетание «болотный газ», имеющее большие исторические корни, но не использующееся широко в настоящее время.

Пристальное внимание к СПГ на современном этапе развития мирового ракетного двигателестроения, как компоненту ЖРТ, вызвано многими объективными причинами. Даже при существующем уровне потребления энергии в мире современная обеспеченность нефтью оценивается в 35 лет, газом в 60 лет и углем в 400 лет (3). В этой связи интересным является и стремление США к 2020 г. исключить свою государственную зависимость от импорта энергоресурсов. Можно констатировать, как минимум, явную обеспокоенность так называемых развитых стран своими энергетическими перспективами. При всей субъективности оценки объемов нефтяных ресурсов планеты, объем мировых запасов СПГ оценивается на современном этапе термином «неограниченные». Для России проблема углеводородных горючих (УВГ) имеет особенно ярко выраженный экономический характер. При примерно 50 миллиардном (в долларах) бюджете страны в 2002 г. трудно выделять около 8 миллиардов так называемых у.е. на геологоразведочные работы, как это делалось в СССР. По имеющимся данным уровень эксплуатации имеющихся скважин УВГ значительно уступает даже советскому периоду. Так что поиски альтернативного, по отношению к нефти, источника УВГ для ракетной техники более чем актуальны. По экономическим, технологическим и некоторым другим соображениям пришлось отказаться от применения в качестве горючего ЖРД синтетического компонента «Циклин» (или «систин).

Стабильной остается тенденция поиска энергетических ресурсов в области жидкостного ракетного двигателестроения. В связи с этим представляет большой интерес оценка эффективности применения СПГ по величине удельного импульса ЖРД и массе выводимой полезной нагрузке на типовые орбиты при прочих равных массо-габаритных характеристиках ракет-носителей (РН).

Изменение политического строя в России и новые экономические реалии рыночного типа привели к росту стоимости (вплоть до неприемлемого ущерба) и значимости в условиях чрезвычайно острой многоплановой конкурентной борьбы даже отдельных аварий РН по вине двигательных установок. Возникла качественно новая ситуация в области обеспечения надежности современных и перспективных ЖРД вообще. Одним из реальных выходов из этой проблемной ситуации может стать применение в ЖРД СПГ в качестве горючего.

В настоящее время проявились новые аспекты экологического характера в применении в ЖРД даже таких УВГ, как РГ-1 (типа керосин). Это связано с использованием зон падения ступеней РН на территории суверенных государств (Казахстан), возможным проливом УВГ в воды рыболовных зон («проблема «Морского старта). Оценка экологических аспектов применения СПГ в свете данных проблем представляет повышенный интерес.

Особый практический интерес для России представляет оценка возможности конверсионного использования ЖРД старых боевых ракет и их «переделка» с токсичных компонентов на УВГ типа СПГ.

В рамках данной работы предполагается дать объективную оценку некоторым некорректным утверждениям, связанных с вопросами применения СПГ в качестве компонента для ЖРД.

С целью повышения объективности данной работы предусматривается рассмотрение и мнения критически настроенных специалистов в области ракетного двигателестроения по достаточно широкому спектру рассматриваемых вопросов.

Информационное исследование, выполненное в рамках рассматриваемой работы и представленное в виде достаточно развитой библиографии по рассматриваемому вопросу, может представлять самостоятельный интерес и послужить основой для дальнейших авторских разработок.

2. Некоторые исторические аспекты вопросов применения метана в качестве горючего ЖРД.

Мысль об использовании метана или «болотного газа» в качестве горючего для ЖРД впервые в мировой практике была высказана К,Э, Циолковским во второй части его фундаментального труда «Исследование мировых пространств реактивными приборами» (2), опубликованного в 1911 г. Для теории и практики ракетного двигателестроения важен не только сам факт первого упоминания о метане, как о компоненте для ЖРД, но и трактовка этого вопроса Циолковским, который подчеркивал именно его «годность для ракеты» (2, с.103) даже на этапе становления теории реактивного движения. Позднее Циолковский неоднократно возвращался к этому вопросу в своих трудах («Космическая ракета» , 1927 г.(4, с.270); «Реактивный аэроплан», 1930 г. (4, с.399); «Достижение стратосферы», написана в 1932-1933 гг. и опубликована в 1936 г. (4, с.372).

Не обошел своим вниманием метан и Ю.В. Кондратюк в своем труде «Завоевание межпланетных пространств» (29, сс. 14,15,17, 19, 65,67), опубликованном в 1929 г., уделявший большое внимание вопросам энергетики космических полетов.

Примерно в это же время (до 1929 г.) немецкий пионер ракетной техники Герман Оберт планировал применение метана для ЖРД своей ракеты «Кегельдюзе» (30, с.100).

21 февраля 1931 г. немецким инженером Иоганом Винклером была проведена успешная попытка запуска первой европейской ракеты с ЖРД (31, сс. 282-283), в качестве горючего которой использовался сжиженный метан. Ракета массой около 5 кг имела длину 60 см и после подъема на высоту всего 3 метров завалилась. Менее чем через месяц (14.03.1931 г.) эта ракета HWR-1 совершила свой полностью удачный полет, поднявшись на высоту около 100 м. (7, с.61).Это был первый в мире полет ракеты с ЖРД на кислородо-метановом топливе.

В 1935 г. в СССР вышла легендарная книга Лангемака Г.Э. и Глушко В.П. «Ракеты. Их устройство и применение» (32, сс.191-224). Пятая глава этого издания посвящена жидким топливам для ракетного двигателя. В ней есть упоминание и о метане. К сожалению, в издание 1977 г. сама эта глава не вошла. Дана ссылка редактора о том, что этот вопрос значительно подробнее освещен в приводимой далее книге Глушко «Жидкое топливо для реактивных двигателей»(32, сс.231-330). В этом очень интересном ведомственном издании 1936 г. (курс лекций, читанных в ВВА им. Жуковского) жидкий метан выделен в самостоятельный компонент ракетного топлива (32, сс.286-287). Интересен вывод Глушко о перспективах применения метана в качестве компонента топлива для ЖРД: «Дороговизна, трудоемкость получения, транспортировки и хранения жидкого метана также не способствуют его применению».

Заканчивает первый этап метановой истории (1911-1941 гг.) в ракетном двигателестроении книга Зенгера Е. «Техника ракетного полета», вышедшая в Киеве в 1936 г. и переизданная в СССР в 1947 г.(33). В этом издании в разделе «Таблицы топлив» (33, сс.72-77) приведены характеристики различных метаносодержащих жидких ракетных топлив.

Условно второй этап «метанового топлива» в жидкостном ракетном двигателестроении относится к временному периоду 1941-1991 гг. Он характеризуется двумя принципиальными моментами: продолжением многоплановых теоретических и экспериментальных исследований в рассматриваемой области (12,13) и введением «метановых вопросов» в различные разделы учебной литературы в области химии ракетных топлив и рабочих процессов в камерах сгорания ЖРД (5,6). В СССР экспериментальные исследования двигателей на топливе «кислород-метан» впервые начались в НПО «Энергомаш» в 1981 г. (19, с.58). Именно в это время в очередной раз обострились проблемы охлаждения камер сгорания ЖРД в связи с дальнейшей интенсификацией рабочих процессов в КС (давления в КС возросли до 25 Мпа, а в газогенераторах – до 70 Мпа) и возникла практическая потребность в многоразовых двигателях, послеполетный ремонт и обслуживание которых тормозилось углеродными отложениями в трактах охлаждения. К достижениям этого периода принципиального характера следует отнести появление термина «шугообразный метан» (5, с.95), характеризующего качественно новые свойства метана, позволяющие несколько повысить его плотность и уменьшить испаряемость за счет наличия в жидком метане его твердых включений при температурах, близких к температуре замерзания этого компонента.

Третий период «метановой истории» условно начался в 1991 г. после развала СССР. С этого времени у ведущей ракетно-космической державы планета и лидера в области ракетно-космического двигателестроения качественно изменилась структура сырьевых углеводородных источников. Кроме того, резко обострились экологические проблемы на национальном и мировом уровне. И особенно остро проявились экономические проблемы всех уровней и направлений. В этих качественно новых условиях практически все предприятия ракетного двигателестроения России в инициативном порядке предприняли беспрецедентные усилия по интенсификации научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области применения метана в ЖРД всех классов и назначений. К настоящему времени известны десятки проектов ЖРД на метано-кислородном топливе и несколько проектов ракет-носителей («Ангара». «Рикша», «Взлет» и т.д.) с данными двигателями. Некоторые проекты прошли этап эскизного проектирования и находятся на стадии опытно-конструкторской разработки.

3. Основные характеристики метана и метанового топлива ЖРД.

Физико-химические свойства чистого метана и сжиженного природного газа, состоящего до 99% из метана изучены достаточно широко (1) благодаря его активному использованию в химической промышленности и энергетике.

Как установлено из предыдущего историко-библиографического раздела данной работы в настоящее время для ракетного двигателестроения особый интерес представляет именно кислородно-метановое топливо. Ранее (33 ) исследовались и другие топливные композиции(12 ), включая так называемый «флокс», в котором в качестве окислителя использовалась фторо-кислородная смесь.

Условно все характеристики метана и его топливных композиций можно классифицировать на физико-химические, энергетические, эксплуатационные, экологические, экономические и некоторые другие. Целесообразно сравнение характеристик метана с другими горючими (углеводородным горючим типа керосин РГ-1, пропаном, водородом), как компонента, и метанового топлива с другими типовыми топливными составами.

Реакция горения метана в кислороде заслуживает особого внимания. Анализируя в

1936г. перспективы (32, с.283) применения различных жидкостных топливных композиций В.П. Глушко использовал следующую простейшую форму записи реакции горения метана в кислороде: CH₄ + 2О₂= СО₂ + 2Н₂ О.

При этом подчеркивалось, что продукты реакции содержат 55% углекислого газа и 45% паров воды. В современных профессиональных исследованиях (35) при разработке математических моделей расчета характеристик рабочего процесса в камере сгорания ЖРД используют более сложную запись уравнения горения метана в кислороде, рассматривая данную реакцию, как одностадийную: 24СН₄ + 47О₂ = 8СО₂ + 16СО + 30Н₂ О = 32ОН + 2Н₂

В классической термохимии реакция горения метана в кислороде была детально исследована академиком Семеновым и относится к цепным реакциям с вырожденными разветвлениями (34). Семенов показал, что имеются случаи, когда цепные разветвления происходят не в результате взаимодействия активного центра с молекулой исходного вещества, а в результате распада молекул промежуточных продуктов на радикалы. В таком случае время автоускорения определяется скоростью образования первич­ных радикалов из этих молекул. Семенов назвал этот тип цепных реакции «вырожденными цепными взрывами», а разветвления за счет промежуточных сравнительно устойчивых продуктов — вырож­денными разветвлениями. Примером подобных реакции может служить окисление углеводородов и, в частности, метана. Взаимо­действие метана с молекулой кислорода приводит к образованию двух радикалов

СН₄ + О₂ = СН₃ + НО₂

Каждый из этих радикалов может давать, новый радикал

СН₃ + О₂ = СН₂О + ОН,

НО₂+СН₄= Н₂О₂+СН₃.

Гидроксил может реагировать как с метаном

ОН + CH₄ = Н₂О + СН₃,

так и с альдегидом