Переохлажденный кислород

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э.БАУМАНА

___________________________________________________

ФАКУЛЬТЕТ

«РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА»

РЕФЕРАТ

По теме: «Переохлажденный кислород»

Группа: РКТ5-81

Студент: Степанов С.А.

Проверил: Чугунов Б.Н.

г. Королев 2005

Оглавление

Введение …………………………………………………………………………….………….. 3

1. Немного истории …………………………………................................................................ 4

2. Основные принципы охлаждения …………………………………..................................... 6

3. Система охлаждения жидкого кислорода до 58 К ………………………………..…........ 6

4. Обеспечение тепловых режимов криогенных компонентов топлива

при подготовке изделия на стартовом комплексе и в полете …………………………… 11

1. Подготовка к заправке ……………………………………………………………………………..… 11

2. Заправка и тепловой режим криогенного топлива ……………………………………………….… 12

3. Термостатирование криогенного топлива в баках, стоянка

заправленного изделия …………………………………………………………………………..…… 14

1. Длительное хранение жидких криогенных компонентов топлива

в космических условиях ………………………………………………………………….... 17

Литература ……………………………………………………………………………………… 19

Введение

КИСЛОРОД (oxygen) - газ без цвета и запаха, составляющий одну пятую часть всего атмосферного воздуха. Кислород необходим для жизни большинству живых организмов, так как в ходе его соединения с глюкозой (или иногда с другими видами «топлива» – источниками энергии) в процессе обмена веществ в организме освобождается энергия. Обозначение: О.

Кислород – бесцветный (в толстом слое голубой) газ без вкуса и запаха, он немного тяжелее воздуха, малорастворим в воде. При охлаждении до -183° С (90,19° К) кислород превращается в подвижную жидкость голубого цвета, а при -219° С (54,39° К) замерзает.

Кислород применяется в лечебной практике, причем не только при легочных и сердечных заболеваниях, когда затруднено дыхание. Подкожное введение кислорода оказалось эффективным средством лечения таких тяжелых заболеваний, как гангрена, тромбофлебит, слоновость, трофические язвы.

Не менее важен он и для промышленности. Обогащение воздуха кислородом делает эффективнее, быстрее, экономичнее многие технологические процессы, в основе которых – окисление. А на таких процессах пока держится почти вся тепловая энергетика. Превращение чугуна в сталь тоже невозможно без кислорода. Именно кислород "изымает" из чугуна избыток углерода. Одновременно улучшается и качество стали. Нужен кислород и в цветной металлургии. Кроме того, кислород используется:

• В машиностроении и строительстве

  • для напыления и наплавки металлов

  • для кислородно-ацетиленовой газосварки и газорезки металлов

  • для плазменного высокоточного раскроя металлов.

• В нефтедобыче

  • закачка в пласт для повышения энергии вытеснения (создание эффективного движущегося внутрипластового очага горения -ВПОГ).

• В горнодобывающей промышленности и металлургии

  • при конвертерном производстве стали, кислородном дутье в доменных печах, извлечении золота из руд, производстве ферросплавов, выплавке никеля, цинка, свинца, циркония и других цветных металлов

  • прямое восстановление железа

  • огневая зачистка слябов в литейном производстве

  • огневое бурение твердых пород.

• В медицине

  • в оксибарокамерах заправка оксигенераторов (кислородных масок, подушек и т.д.) в палатах со специальным микроклиматом

  • изготовление кислородных коктейлей при выращивании микроорганизмов на парафинах нефти.

• В экологии

  • очистка (озонирование) питьевой воды

  • вторичная переработка металлов (газорезка)

  • продувка сточных вод кислородом обезвреживание (окисление) химически активных отходов в очистных установках

  • в мусоросжигательных печах с кислородным дутьем

• В химической промышленности

  • изготовление взрывчатых веществ - оксиликвитов (пропитка жидким кислородом)

  • производство ацетилена, целлюлозы, метилового спирта, аммиака, азотной и серной кислоты

  • каталитическая конверсия природного газа (при производстве синтетического аммиака)

  • высокотемпературная конверсия метана (природного газа).

• В энергетике газификация твердого топлива обогащение воздуха для бытовых и промышленных котлов для сжатия водно-угольной смеси

• В военной технике в барокамерах для работы дизельных двигателей под водой

• В сельском хозяйстве

  • изготовление кислородных коктейлей для прибавки животных в весе

  • обогащение кислородом водной среды в рыбоводстве.

Немного истории

В какой мере Королеву следовало развивать боевую тематику после блестящих побед в космосе? Зачем на открывшемся перед нами пути в космос создавались трудности, в то время как бремя строительства ракетно-ядерного «меча» можно было возложить на других?

В случае прекращения разработок боевых ракет высвобождались конструкторские и производственные мощности для расширения фронта космических программ. Если бы Королев смирился с тем, что Янгеля, Челомея и Макеева достаточно для создания боевых ракет, ни Хрущев, ни тем более Устинов, который в декабре 1957 года был назначен заместителем Председателя Совета Министров СССР и председателем ВПК, не стали бы нас принуждать к разработке нового поколения межконтинентальных ракет.

Однако, создав первую межконтинентальную Р-7 и ее модификацию Р-7А, уже нельзя было отказаться от азартной гонки по доставке ядерных зарядов в любой конец света. Что произойдет в районе цели, если будет заброшен туда настоящий заряд мощностью от полутора до трех мегатонн, никто в те времена особенно не задумывался. Подразумевалось, что этого не случится никогда.

В конце пятидесятых годов было более чем достаточно сторонников работы над боевыми ракетами. Отключение от боевой тематики грозило потерей столь необходимой поддержки Министерства обороны и благосклонности самого Хрущева. Но сам процесс создания боевых ракет увлекал гораздо больше, чем конечная цель. Закономерный процесс потери монополии на создание межконтинентальных стратегических ракет переживался без восторга.

За два года испытаний Р-7 в боевом варианте и спутниковых модификациях был накоплен первый опыт ее предпусковой подготовки. Время готовности ракеты к пуску с момента установки в стартовую систему в самых оптимальных условиях измерялось 8-10 часами. Сократить это время можно было только в том случае, если боевое дежурство ракета несет в заправленном состоянии. Но дежурить после заправки жидким кислородом можно только десятки часов. Огромные потери кислорода на испарение при его транспортировке, хранении и после заправки были принципиальным недостатком кислородных ракет. Стратегия «холодной войны» предъявляла все более жесткие требования к циклу боевой готовности. Речь шла уже не о часах, а о минутах!

В конце 1958 года были получены подробные данные об американском проекте ракеты «Титан-1», разработанном фирмой «Мартин». Это был проект двухступенчатой ракеты на жидком кислороде и керосине. При стартовой массе 98,5 тонн на «Титан» проектировалась установка ядерных боезарядов от 4 до 7 мегатонн.

Ракета «Титан-1» базировалась в защищенных шахтных пусковых установках и имела готовность к пуску после заправки 15 минут. Это пока было недоступно ни одной из советских ракет. В 1958 году только янгелевское предложение по Р-16 могло быть реальным ответом на американский вызов. Ни о каких подземных шахтах-укрытиях для «семерочных» стартов в то время не могло идти речи.

Альтернативой Р-16 могла быть принципиально новая по компоновке, режиму дежурства, времени заправки и готовности к пуску кислородная ракета. Первые предложения о разработке новой межконтинентальной ракеты, которой было присвоено секретное наименование Р-9, исходили от Мишина. Он в меньшей степени, чем Королев, был увлечен мирной космонавтикой, внимательно следил за информацией об американских разработках боевых ракет. Одним из первых он понял, что ракета Р-7 – не для войны. Десяткам американских пусковых установок для более дальнобойных и тяжелых «Титанов» противопоставлять сложнейшие открытые, легко уязвимые старты Р-7 было нереально.

В сентябре 1958 года Хрущев устроил в Капустином Яре смотр ракетной техники. Ему демонстрировали пуски уже принятой на вооружение ракеты Р-5М и ее конкурента Р-12. Королев впервые доложил Хрущеву предложения о перспективной межконтинентальной ракете Р-9. Разработка Р-9 требовала привлечения большого числа смежных организаций и огромных затрат, которые не могли быть сделаны без выхода специального постановления.

Королеву стоило больших усилий уговорить Совет главных подписать предложения по Р-9 для направления в правительство. После долгих и многотрудных уговоров Министерство обороны, Госкомитет по оборонной технике, возглавляемый Рудневым, и Устинов согласились с предложением о создании новой межконтинентальной ракеты Р-9 на нетоксичных компонентах – кислороде и керосине.

В самом начале проектирования было понятно, что легкой жизни, которую можно было позволить при распределении массы на «семерке», здесь быть не может. Нужны были принципиально новые идеи. По воспоминаниям современников Мишин первым высказал революционную идею об использовании переохлажденного жидкого кислорода. Если вместо минус 183°С, близких к точке кипения кислорода, понизить его температуру до минус 200°С, а еще лучше – до минус 210°С, то, во-первых, он займет меньший объем и, во-вторых, резко уменьшатся потери на испарение. Если такую температуру удастся поддержать, можно будет осуществить скоростную заправку: кислород, попадая в теплый бак, не будет бурно вскипать, как это происходит на всех ракетах от Р-1 до Р-7 включительно.

Проблема получения, транспортировки и хранения переохлажденного жидкого кислорода оказалась столь серьезной, что вышла за чисто ракетные рамки и приобрела с подачи Мишина, а затем и включившегося в решение этих задач Королева общесоюзное народнохозяйственное значение.

В качестве советника по кислородной проблеме был привлечен академик Петр Капица. Консультантом по проблемам поддержания высокого вакуума в больших объемах для теплоизоляции был академик Векшинский.

В августе 1960 года в Загорске начались огневые испытания ракеты Р-16. Двигатели Глушко на несимметричном диметилгидразине и азотном тетраксиде работали устойчиво. В то же время новые кислородные двигатели на стендах в ОКБ-456 для Р-9 начинала трясти и разрушать «высокая частота».

Неприятности, сопровождавшие начальный период отработки кислородных двигателей для Р-9, сторонники Глушко объясняли принципиальной невозможностью на данном этапе создания мощного кислородного двигателя с устойчивым режимом. Даже не желавший открыто включаться в споры Исаев в приватной беседе со мной сказал примерно следующее: «Дело не в том, что Глушко не хочет. Он просто не может и не знает пока, как сделать устойчивым процесс на кислороде в камерах таких больших размеров. И я не знаю. И, по-моему, никто пока не понимает истинных причин появления высокой частоты».

По поводу выбора компонентов топлива Королев и Глушко никак не могли прийти к согласию. Когда была получена информация о том, что в «Титане-1» американцы используют жидкий кислород, Королев и на Совете главных, и в переговорах по «кремлевке» говорил, что это подтверждает правильность нашей линии при создании Р-9. Он считал, что не ошиблись, выбрав Р-9А на кислороде, а не Р-9Б на высококипящих компонентах, на чем настаивал Глушко.

В Постановлении Совета Министров СССР по ракете Р-9, принятом 13 мая 1959 г., специально отмечалось, что в качестве окислителя должен применяться переохлажденный кислород. Это позволяло обеспечить хранение кислорода в наземной емкости и заправку его в ракету практически без потерь и за минимальное время, не превышающее времени подготовки приборов системы управления к пуску.

Основные принципы охлаждения

Под термином «охлаждение» подразумевают искусственный отвод тепла от какого-либо тела с более высокой температурой, чем температура окружающей среды. Такой искусственный отвод тепла в сущности является процессом, включающим перевод теплоты с одного температурного уровня на другой, более высокий, и это определяет основные элементы любого холодильного цикла.

Состояние тепла при низкой температуре характеризуется не только слабым тепловым движением, но и низким значением энтропии.

Низкие температуры практически можно получить различными способами:

1. при помощи фазовых превращений тела, сопровождающихся поглощением тепла, например испарение воды, аммиака, фреона или другого подобного хладагента, плавление льда или растворение соли;

2. расширением газа или пара, сопровождающимся совершением ими внешней работы;

3. дросселированием газа или пара;

4. десорбцией газа;

5. адиабатным размагничиванием некоторых солей;

6. пропусканием тока через спай двух металлов (эффект Пельтье)

Первым, вторым и шестыми способами обычно пользуются для получения температур «умеренного холода» (примерно до 170° К). Второй и третий способы являются основными, применяемыми для получения температур «глубокого холода» (170÷0,5 ° К) (иногда пользуются четвертым способом). Наконец, пятый способ служил пока единственной основой для получения сверхнизких температур (ниже 0,5° К).

Система охлаждения жидкого кислорода до 58 К

Штатная работа блока объединенной двигательной установки предусматривала использование жидкого кислорода с температурой 65±5 К, поэтому потребовалось охлаждение кислорода в промышленных масштабах для отработки двигателей и системы ОДУ и заправки изделий на технических позициях.

Так как потери холода неизбежны (теплопритоки в конструкциях, технология производства работ и т.д.), необходимо было надежно охлаждать кислород до более низкой температуры – 57…58 К. Одновременно требовалось обеспечить очистку кислорода от примесей N₂O и CO₂, поскольку при указанных температурах эти примеси находятся в твердом состоянии и засоряют внутрибаковые заборные устройства.

Охлаждать жидкий кислород можно одним из двух способов – отбором тепла на его кипение при откачке паров или теплопередачей в теплообменнике при откачке паров хладагента.

В лабораторных условиях кислород охлаждают до 58 К, для чего используют способ откачивания его паров до разрежения 0,1 мм рт.ст. Но чтобы реализовать этот способ в промышленных масштабах, требовалось бы в сжатые сроки разработать, изготовить и отладить мощные и безопасные при работе с парами кислорода вакуумные насосы.

Охладить кислород в теплообменнике, используя в качестве хладагента жидкий азот, можно лишь до 63 К – температуры замерзания азота. Поэтому на техническом комплексе для охлаждения кислорода создали систему, включающую криогенный теплообменник с хладагентом – гелием, который охлаждался жидким водородом. Однако эта система не отвечала требованиям безопасности работ и поэтому была неприемлема для отработки двигателей и систем ОДУ, проводимой на стендовой базе РКК «Энергия».

Государственный институт азотной промышленности (ГИАП) и Уральский вагоностроительный завод рекомендовали охлаждать жидкий кислород до 57 К в теплообменнике путем откачки паров хладагента – смеси жидких кислорода и азота. Предложенный хладагент обладал важными достоинствами. Во-первых, минимальной (в зависимости от состава) температурой замерзания 50 К. Во-вторых, охлаждение его до температуры 57 К достигается откачкой паров до разрежения равного 18 мм рт. ст. И наконец, объемная концентрация кислорода в откачиваемых парах не превышает 10%.