OH + СН₂О = H₂О + HCO.

Альдегид может окисляться но реакции вырожденного развет­вления

СН₂О + О₂ = НСО + НО₂.

Каждый из образовавшихся радикалов реагирует с образованием новых радикалов:

НСО + О₂= СО + НО₂,

НО₂+ СН₄ = СН₃ +Н₂О₂,

НО₂ + СН₂О= Н₂О₂ +НСО.

Таким образом, промежуточный продукт—альдегид - не толь­ко реагирует с образованием конечных продуктов, но и может да­вать активные центры - радикалы, рост концентрации которых ускоряет реакцию в целом.

Стехиометрические коэффициенты реакции горения метана в кислороде имеют следующие значения (6, с 76): мольный – 2,00 моль/моль; массовый – 4,00 кг/кг; объемный – 1,48 л/л.

Энергетические характеристики топлива можно оценивать и сравнивать по величине его теплотворной способности (мольной, массовой и объемной – в МДж на моль, кг, м³ соответственно), по значению удельного импульса тяги (в м/с) конкретной двигательной установки на данном топливе; по значению величины характеристической скорости (м/с), определяемой по уравнению Циолковского и по массе полезной нагрузки, выводимой ракетой-носителем на типовые орбиты (низкие околоземные, эллиптические, геопереходные, геостационарные).

Определим в первом приближении по известной учебной методике (6, с.94) теплотворную способность топлива, состоящего из жидкого метана CH₄ и жидкого кислорода O₂.Так как мольный стехиометрический коэффициент равен 2 моль/моль, то мольная теплотворная способность данного топлива равна:

Н=189 600-2*3030-3650=179890 ккал/моль,

где – «3030» и «3650» ккал/моль – теплоты испарения соответственно кислорода и метана.

Массовая теплотворная способность топлива равна:

ккал/кг или 9,427 МДж/кг.

Массовый состав топлива:

g_г =0,2 и g_o=0,8.

Известны удельные массы компонентов: _г=0,415 кг/м³, _о=1,14 кг/м³

Следовательно,

кг/м³.

откуда объемная теплотворная способность топлива равна:

H^’=2250*0,845=1900 ккал/м³ или 7,961 МДж/м³.

Более точно теплотворная способность топлива определяется калориметрическим методом, позволяющим учитывать многие физико-химические особенности протекания данной реакции. Оценка эффективности кислородно-метанового топлива по величине удельного импульса тяги ЖРД будет рассмотрена ниже в разделе, посвященному анализу характеристик конкретных двигателей. Теоретический удельный импульс топлива «жидкий кислород - жидкий метан» на 3.4% выше, чем топлива «жидкий кислород - ке­росин», но на 20.6% ниже, чем топлива «жидкий кислород - жидкий водород». По объемному удельному импульсу (достаточ­но условная величина, характеризующая энергетику топлива применительно к задан­ной емкости баков ракеты) метан уступает керосину. Следует сказать, что в настоящее время прогресс в материаловедении привел к разработке относительно легких топлив­ных баков, масса которых все в меньшей сте­пени влияет на т.н. «сухую» массу ракеты.

Большинство камер сгорания ракетных двигателей использует и регенеративное охлаждение. Так как в камерах сгорания ЖРД температура продуктов сгорания топлива доходит до (3500-4500) К, а плотность теплового потока в наиболее напряженные элементы стенки камеры – до 11х 10⁷ Вт/м^2,, то способность компонента ракетного топлива эффективно участвовать в процессе охлаждения конструкции ЖРД имеет особое значение.

Охлаждающие свойства метана существенно выше, чем керосина. Попытаемся оценить подобные свойства различных горючих по двум показателям, определяющим возможность и эффективность их исполь­зования для охлаждения наиболее теплонапряженных элементов камер двигателя:

1. По комплексу В=с^0.,4^0,6/, характеризующему интенсивность теплоотдачи от стенки к жидкости и, при прочих равных условиях, определяющему величину максимального теплового потока, идущего от стенки в результате ее регенеративного охлаждения , где с —удель­ная теплоемкость;  - коэффициент теплопроводности;  - коэффици­ент динамической вязкости жидкости. Чем выше значение комплекса В, тем лучше охлаждающие свойства жидкости.

2. По предельно допустимой для коксо- и смолообразования тем­пературе нагрева горючего в зарубашечном тракте турбины Т_пр.

Как следует из данных, представленных в табл. 1, исходя из ука­занных показателей охлаждающих способностей жидкостей жидкие метан и пропан имеют существенное преимущество перед РГ-1. При па­раметрах, типичных для трактов охлаждения камер ЖРД, метан пре­восходит РГ-1 но величине В примерно в 4 раза, а пропан — в 2 раза (водород—приблизительно в 9 раз).

Без ограничений времени контакта жидкостей со стенками камер предельная температура нагрева метана составляет 980К, пропана— 740К, РГ-1 —590К (водород не диссоциирует до 3000 К).

Таблица 1

Лучшие охлаждающие свойства метана позволяют во многих слу­чаях отказываться от внутреннего охлаждения камеры двигателя.

Данные, приведенные в табл. 1, свидетельствуют о том, что плот­ность  метана приблизительно в два раза ниже, чем керосина. Однако рабочее значение коэффициента массового соотношения компонентов к_m топлива 0₂+СН₄ существенно выше. Поэтому плотность кислородно-метанового топлива ниже, чем кислородно-керосинового, только на 25% (табл. 2).

Таблица 2

По оценкам специалистов Исследовательского центра им. М.В. Келдыша (НИИТП) применение сжиженного метана или сжиженных природных газов с учетом более высоких их энергетических характеристик и снижения потерь на завесное охлаждение камеры сгорания может обеспечить повышение удельного импульса на 15—20 с (но сравнению с топливом О₂+РГ-1), что в полной мере компенсирует ущерб or снижения плотности кислородно-метанового топлива.

Сырьевая база метана практически не ограничена. Как следует из данных, представленных в табл. 2, кислородно-метановое топливо на 25% дешевле топлива О₂+РГ-1. Проблемы создания наземной ин­фраструктуры, обеспечивающей применение нового горючего, в значи­тельной мере решены в результате опережающего развития работ но его внедрению в авиационную технику.

Важнейшей эксплуатационной характеристикой этого горючего яв­ляется его взрывоопасность. Нижние концентрационные пределы дето­нации смесей сжиженных газов с жидким кислородом близки к ниж­ним пределам воспламенения упомянутых смесей в газовой фазе. В табл. 3 приведены данные о концентрационных границах взрывоопасности (воспламенения) при нормальном давлении и другие харак­теристики воспламенения н горения метана и пропана в сопоставлении с характеристиками водорода. Из табл. 3 следует, что концентрацион­ные пределы воспламенения н взрыва смесей метана и пропана с воз­духом н кислородом существенно ниже, чем водорода, а минимальная энергия их воспламенения на порядок выше, т. е. опасность самопро­извольного взрыва углеводородных смесей заметно ниже, чем водородно-кислородной.

Таблица 3

Анализируя взрывоопасность газовых смесей, необходимо отметить, что поскольку упругость пара СПГ намного выше, чем РГ-1, то и вероятность неконтролируемого образования взрывоопасных газовых смесей воздухом и кислородом больше. Однако горючее РГ-1 представляет собой большую опасность при контакте с жидким кислородом, например, при одновременных проливах кислорода и горючего или в случае межполостной негерметичности. Смесь жидкого кислорода и керосина твердой фазе образует оксиликвитное вещество способное к бризантным взрывам.

На основании изложенного можно заключить, что некоторые эксплуатационные свойства кислородно-метанового топлива, конечно, несколько хуже, чем топлива О₂+РГ-1, но существенно лучше, чем кислородно-водородного, опыт применения которого в России весьма значителен, причем эксплуатация указанного топлива даже в больших количествах ни разу не привела к человеческим жертвам.

Вся предохранительная система, применявшаяся в ходе эксплуата­ции кислородно-водородного топлива, пригодна и для топлива 0₂+СН₄ (например водородные баллоны и емкости с предохранительной арма­турой).Данный факт чрезвычайно важен для оценки экономических аспектов внедрения метана в отечественное ракетное двигателестроение.

В таблице 4 (10) приведены некоторые эксплуатационные характеристики типовых топливных композиций ЖРД, позволяющие дать сравнительную качественную оценку перспективного метанового топлива с точки зрения надежности двигательной установки. Из представленных в таблице данных видно, что практически по всем критериям надежности, кроме тротилового эквивалента, метановое топливо значительно превосходит рассматриваемые аналоги.

Одним из важнейших эксплуатационных параметров компонента жидкого ракетного топлива является его предельно допустимая концентрация в воздухе (ПДК). Метан обладает слабым наркотическим действием. Его ПДК равна 300 мг/м³. Для сравнения: ПДК бензина равна 100 мг/м³, а ПДК этилового спирта-1000 мг/м³.

Таблица 5.

При замене керосина сжиженным при­родным газом (метаном) некоторое преиму­щество в удельном импульсе дает возмож­ность получить выигрыш в массе полезного груза (ПГ). При этом: под заменой топ­лива в данном случае подразумевается не просто заполнение баков «керосиновой» ракеты метаном - под новое топливо необ­ходима полная переделка двигательной ус­тановки (ДУ) и баков в том числе. В табл. 5 представлены сравнительные характерис­тики условных двухступенчатых ракет-но­сителей (РН) для вывода ПГ на низкую око­лоземную орбиту. Первая РН использует жидкий кислород и керосин, вторая - «жид­кий кислород- жидкий метан». Из-за малой плотности метана баки второй ракеты име­ют несколько большие габариты и массу. Однако, благодаря преимуществу в удель­ном импульсе, масса полезного груза второ­го носителя все-таки несколько больше (на 9.5%), чем первого.

4. Отечественные работы по метановым двигателям.

В этом разделе будут рассмотрены проектно – экспериментальные разработки ЖРД на метановом топливе некоторых отечественных организаций, занимающихся ракетным двигателестроением.

По мнению наших специалис­тов, использование сжиженного природно­го газа (метана) позволяет (23):

• обеспечить безопасность окружающей среды даже при аварийном сливе ком­понентов топлива;

• повысить удельный импульс тяги и улуч­шить энерго-массовые характеристики РН;

• повысить эффективность охлаждения камеры сгорания;

• упростить межпусковую обработку топ­ливных трактов;

• снизить стоимость горючего;

• обеспечить длительность использования сырьевой базы при наличии больших природных запасов горючего;

• обеспечить доступность природного га­за для любых национальных программ;

• облегчить создание двигателя любой при­нципиальной схемы (с окислительным или восстановительным газогенератором);

• использовать материалы, технологии и оборудование, присущие криогенной технике.

Занимая «нишу» между керосином и во­дородом, метан позволяет достаточно про­сто создавать двигатели любой принципи­альной схемы: замкнутой с окислительным газогенератором (ГГ), замкнутой с восстано­вительным ГГ, открытой (незамкнутой) и да­же такой экзотической для отечественного двигателестроения схемы, как т.н. «расши­рительная» или теплообменная, когда жид­кий метан, проходя рубашку охлаждения ка­меры сгорания, газифицируется и вращает турбину ТНА, а потом сбрасывается в каме­ру сгорания и дожигается там.

Основными отечественными организациями, занимающимися разработкой ЖРД на метане, являются: НПО «Энергомаш», ИЦ имени М.В.Келдыша, КБХиммаш, и КБ Химавтоматики.

НПО Энерегетического машиностроения имени академика В.П. Глушко (НПО «Энергомаш) разрабатывает целое семейство дви­гателей (РД-169,РД-182, РД-183,РД-190, РД-192) на топливе «жидкий кислород - при­родный газ». Разработчики избрали путь модификации уже имеющихся (т.е. разра­ботанных или проектируемых) кислородно-керосиновых ЖРД. Все двигатели строятся по замкнутой схеме (за исключением, воз­можно, РД-183). НПО «Энергомаш» использу­ет свой опыт разработки двигателей с окис­лительным ГГ, в котором сжигается газ с из­бытком кислорода.