НИРС2005 (Раздаточные материалы)

Введение

В последнее время ощутимо назрела проблема создания принципиально новых двигательных установок для подводных аппаратов. В этой связи наиболее перспективным является создание двигательной установки, в которой предусматривалось бы использование забортной воды в качестве одного из компонентов химической реакции. Топливо используемое в таких установках получило название - гидрореагирующее.

Реактивные двигатели на гидрореагирующих топливах используются в качестве двигательных установок движущихся подводных аппаратов (торпед). В этих двигателях топливо вступает в экзотермические реакции с забортной водой как с окислителем.

С
хемы двигателей на ГРТ

Существует несколько видов двигателей на ГРТ (см. рисунки 1-4).

1.Гидропрямоточный двигатель(рис.4).

Тяга создается за счет совместного истечения из сопла продуктов сгорания топлива, содержащих избыточную воду. В продукты сгорания под давлением скоростного напора подается забортная вода. Происходят вторичные реакции, вода частично испаряется, многофазное рабочее тело расширяется в реактивном сопле.

Аналогично прямоточному ВРД двигатель не способен к самостоятельному старту и работе на малых скоростях. При постоянной скорости движения характеристики двигателя зависят от глубины погружения аппарата (степень понижения давления в сопле уменьшается с глубиной).

2.Гидротурбореактивный двигатель(рис.2).

Двигатель раздельного истечения может представлять собой водометный двигатель, в котором продукты реакции горения заряда твердого топлива с водой, подаваемой в камеру сгорания через форсунки, поступают через сопла на турбину, вращающую винт.

Д
вигатель может самостоятельно разгоняться и работать при небольших скоростях движения.

Эффективность использования энергии продуктов сгорания в двигателе раздельного истечения выше, чем в двигателе совместного истечения, однако при создании первого возникают технические трудности: образование твердых осадков на лопатках турбин и кавитация винта, снижающая тягу. Преимуществом двигателя совместного истечения является его конструктивная простота.

Экономичность двигателя (удельную тягу) следует оценивать лишь по расходу топлива, транспортируемого подводным аппаратом. Сравнение различных топлив правильнее проводить по объемной удельной тяге. Дело в том, что сопротивление подводного аппарата, преодолеваемое за счет тяги двигателя, зависит от лобовой площади и внешней формы, а не от веса, который компенсируется подъемной (выталкивающей) силой. Это накладывает ограничения на объем, а не на вес хранимого на аппарате топлива. К тому же доля веса топлива в подводных аппаратах значительно меньше, чем в ракетах (обычно менее 50%).

Следует отметить, что одни только энергетические характеристики не могут предопределить выбор топлива. Весьма важным является вопрос об организации эффективного и устойчивого рабочего процесса в конкретных условиях данного подводного аппарата.

В перспективе могут быть рссмотрены следующие основные способы организации рабочего процесса в рассматриваемых двигателях.

1.В камере сгорания реагирует вода и расплавленные металлы (Al,Mg,Li), подаваемые туда в жидкой фазе. Источник тепла для плавления - камера сгорания или независимая энергоустановка.

2.В камере сгорания подаются металлы в виде тонких порошков или пасты. Они реагируют с окислителями типа HNO₃, H₂O₂. При очень тонком помоле металлов (нанопорошки) удается инициировать их реакцию с водой.

Все эти методы организации рабочего процесса сложны. От успехов в их реализации зависит развитие важнейших схем гидрореактивных двигателей.

Двигательные устройства на ГРТ позволяют существенно увеличить скорость движения подводного аппарата, так как со скоростью 150км/час и больше необходимо использовать реактивные принципы движения позволяющие снять ограничения, обусловленные резким падением КПД гребного винта при больших скоростях и получить наибольшую лобовую тягу.

Выбор топлива

В качестве компонентов ГРД нужно использовать вещества, которые при взаимодействии с водой, при определенных условиях происходят процессы горения. Такими веществами являются некоторые щелочные и легкие металлы (K,Na,Li,Mg,Al,B,Be)+H₂O.

При взаимодействии этих металлов с водой образуется гидроокись металла, выделяется свободный водород и выделяется тепло, например:

2H₂O+Mg=Mg(OH)₂+H₂+Q

Be - очень агрессивный высокотоксичный элемент. Эти качества делают Be практически непригодным для использования в ГРД. Наиболее привлекательным в этом ряду для использования является Al.

Чисто теоретически, целесообразно, использовать в качестве заряда чистый металл. Преимущество таких веществ - это получение максимальных значений удельного импульса. Возможность регулировать тягу, возможность не ограничивать время хранения. Но тут возникают значительные сложности в конструкции схемы. 1. Длительное время подготовки, время плавления Al. 2. Расплав Al чрезвычайно агрессивен по отношению к большинству конструкционных материалов. Возможно также использование Al с добавками, так Li и Ga, добавленные в болванку Al позволяют значительно снизить температуру взаимодействия с водой (при активном Ga реакция идет при нормальной температуре).

Однако значительное снижение воды при использовании Li и дороговизны Ga не позволяет практически реализовать двигательную установку. Следует заметить, что на сегодняшний день организовать устойчивое стационарное горение металлической болванки задача не разрешимая. На сегодняшний день для создания подводных аппаратов предпочтение остается за твердым металлизированным топливом.

При выборе конкретных топлив для ГРД руководствуются предъявленными к ним требованиями, из которых основными являются:

1. энергетические: высокий удельный импульс и плотность;

2. эксплутационные: стабильность, неагрессивность, безопасность при хранении и эксплуатации;

3. технико-экономические: достаточность сырьевой и производственной баз, доступность цен компонентов топлива;

Кроме того, требуется по возможности минимальная зависимость скорости горения от начальной температуры заряда.

В зависимости от двигательной установки скорость горения заряда должна в значительных пределах отличаться:

1)для прямоточной схемы калибра 530мм U_г=30-35мм/с;

2)для схем с винтом или водометом может быть меньше и составлять U_г=12-15мм/с;

Одним из существенных недостатков любой схемы является то, что двигательную установку очень трудно регулировать.

Большинство ГРТ требуют для запуска двигателя использования специальных воспламеняющих составов, напрессовываемых на поверхность горения заряда.

Для активизации и обеспечения полноты горения необходимо стехиометрическое соотношение расходов ГРТ и воды. С другой стороны величина удельного импульса двигателя зависит от отношения расхода воды и топлива. Максимуму удельного импульса соответствует K_m=5...15. Получение максимального удельного импульса при значениях коэффициента избытка воды характерно для всех ГРТ. Поэтому рабочий процесс в КС двигателя на ГРТ организуется как двух стадийный. На первой стадии в камере сгорания непосредственно в зону реакции через форсунки подается расход воды, обеспечивающий стехиометрическое соотношение. Непосредственно перед входом в сопло к продуктам сгорания ГРТ добавляется дополнительный расход воды для увеличения массы, истекающей через сопло, и удельного импульса, что приводит также к значительному снижению температуры поступающего в сопло рабочего тела. ТГРТ изготовляется прессованием или литьем. Современные технологии изготовления позволяют добиться высокого значения коэффициента уплотнения исходного материала до 0.93-0.97 и обеспечить однородность физико-технических свойств.

Использование ультрадисперсных порошков металлов

Новым направлением создания гидрореагирующего топлива является применение ультрадисперсного порошкообразного металлического горючего (УДПМГ). Взаимодействие УДПМГ с различного рода окислительными средами приводит к выделению значительного количества тепловой энергии и более простой организации рабочего процесса.

Эффективность использования УДПМГ в качестве основного компонента топлива (в тиксотропном либо в псевдоожиженном виде) связана прежде всего с возможностью глубокого регулирования тяги (до 10-кратного и более), а также с ликвидацией дорогостоящего пиротехнического производства: все это устраняет серьезные недостатки, связанные с агломерацией УДПМГ на поверхности горения зарядов твердого топлива. Кроме того, псевдоожиженные и тиксотропные ПМГ не боятся вибраций, перегрузок, взрыво- и пожаробезопасны, удобны в эксплуатации (отсутствует токсичность, коррозионная активность, физико-химические превращения при длительном хранение и др.)

Дальнейшее повышение эффективности и надежности двигательной установки, использующих такого рода порошкообразные металлические горючие, связано с освоением более энергоемких УДПМГ (например, на основе B, Be), с совершенствованием систем регулирования и подачи максимально уплотненных УДПМГ (степень уплотнения порошка должна достигать 0.8 и выше), интенсификацией процессов воспламенения и горения за счет активации металлических порошков (замещение окисной пленки, капсулирование и др.), а также с совершенствованием теоретических методов расчета характеристик рабочего процесса. Кроме того, для таких двигательных установок требуются дальнейшие исследования по реализации высокоэффективных режимов горения, обуславливающих повышение полноты сгорания при минимальных габаритах камеры сгорания, а также повышение дисперсности конденсированных продуктов сгорания. Последнее, обеспечивает надежный вынос окислов металлов из камеры сгорания (устранение зашлаковки), снижает скоростное и температурное запаздывание к-фазы, приводящее к уменьшению удельного импульса, а также позволяет увеличить ресурс турбины в турбореактивной схеме. Решение этих взаимосвязанных задач, обеспечивающих одновременно необходимую теплозащиту теплонапряженных элементов конструкции, устойчивость рабочего процесса и т.д., приведет к повышению, как надежности, так и эффективности работы двигательной установки на УДПМГ.

Литература.

1. Дубенец С.А., Гаранин И.В. Двигательные установки подводных аппаратов / М.: Изд-во МАИ, 1993.

2. «Разработка и исследование принципов использования нанодисперсного порошкообразного алюминия в качестве горючего ракетных двигательных установок». Отчет о научно-исследовательской работе. Рук. Д.А.Ягодников. М.: 2004г.

3. Егоров И.Т., Садовников Ю.М., Исаев И.И., Басин М.А. Искусственная кавитация / Л.: Судостроение, 1971.

4. Грейнер Леонард. Гидродинамика и энергетика подводных аппаратов / Л.: Судостроение, 1978.

5. Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Под ред. проф. Кудрявцева В.М., М.: Высшая школа, 1983.

6. Е.С. Шахиджанов, А.Ф.Мяндин Реактивные двигатели подводных аппаратов на твердом топливе (расчет и теория) / ГНПП «Регион», М.,2005