Химмотология ракетных и реактивных топлив (1043407), страница 48

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 48)

Заключение

В данной книге показано современное состояние химмотологии ракетных и реактивных топлив. Авторами прежде всего была сделана попытка показать связь между конструкцией двига­телей (ЖРД и ВРД) и требованиями, предъявляемыми к экс­плуатационным свойствам ракетных и реактивных топлив, выделить и объяснить химмотологические проблемы, возни­кающие при эксплуатации ракетно-космической и авиационной техники, описать важнейшие физико-химические и эксплуата­ционные свойства этих топлив, правила обращения с ними. В сравнительно небольшом объеме книги, естественно, трудно достаточно подробно осветить все аспекты химмотологии ука­занных топлив, в частности не получили должного рассмотре­ния химмотологические требования к конструкции перспектив­ных ЖРД и ВРД, экологические и некоторые другие вопросы.

Одной из важнейших задач, стоящих перед химмотологами в ближайшем будущем, является научное обоснование химмо-тологических требований к двигателям и летательным аппара­там в целом, выбору конструкционных материалов для них, улучшению правил эксплуатации техники. Эти требования должны учитывать, с одной стороны, необходимость макси­мального повышения эффективности техники, улучшения ее эксплуатационных характеристик, а с другой—ограниченность сырьевых ресурсов топлив, особенно реактивных, их высокую стоимость и экологические факторы. Сейчас трудно прогнози­ровать, какое из указанных обстоятельств в ближайшие годы может оказаться определяющим дальнейший прогресс и на­правление развития ракетной и авиационной техники. Известно [130, 257], что темпы добычи нефти в мире снижаются, запасы ее ограничены, стоимость разведки и освоения новых месторож­дений нефти непрерывно возрастают, а потребности в нефтяных углеводородных топливах, особенно реактивных, быстро уве­личиваются. Это побуждает исследователей интенсивно искать пути более рационального и экономного использования сущест­вующих сортов топлив и пытаться решить задачу расширения их ресурсов за счет оптимизации качества (например, расши­рения фракционного состава реактивных топлив, увеличения содержания в них ароматических и парафиновых углеводородов и др.), а также использования различных альтернативных топ­лив, полученных из угля, сланцев, природного газа и других видов сырья. То и другое потребует изменения конструкции

двигателей, с тем чтобы сделать их более экономичными и в то же время работающими на топливе измененного состава, воз­можно даже несколько худшего качества, но обеспеченном ре­сурсами. Проблема сырьевых ресурсов особенно остро стоит для реактивных топлив, расходы которых в мире ежегодно составляют сотни миллионов тонн. Не случайно в последние годы наметилась тенденция развития авиации с турбовентиля-торными двигателями и обеспечивающими большую экономич­ность, чем газотурбинные и турбовинтовые двигатели. Ограни­ченность сырьевых и производственных ресурсов создает опре­деленные трудности и при получении некоторых видов ракет­ных топлив, например синтетических углеводородных горючих.

Одна из важных задач химмотологии и в то же время важ­нейшая социально-экономическая задача — правильное реше­ние проблем экологии, связанных с применением ракетных и реактивных топлив. Как было показано в I разделе книги, многие компоненты жидких ракетных топлив являются высоко­токсичными и агрессивными веществами, отрицательно воз­действующими на окружающую среду, опасными для живых организмов и растительности. Например, чреваты негативными последствиями большие проливы гидразинных и аминных го­рючих, попадание их в водоемы и грунтовые воды, так как эти горючие, особенно месы.ил(-диметилгидразин, очень медленно гидролизуются и даже в относительно малых концентрациях опасны для человека и животных. Оксиды азота и пары азот­ной кислоты губительно действуют на растительность. Опасны для окружающей среды фторные окислители и продукты сгора­ния топлив на их основе. Наряду с этим существуют экологиче­ские проблемы глобального характера, связанные с примене­нием ракетных и реактивных топлив. Сотни миллионов тонн реактивных топлив, ежегодно сжигаемых в авиационных двига­телях, на больших высотах загрязняют атмосферу оксидами

углерода, азота и серы.

Ученые многих стран в последние годы высказывают боль­шую озабоченность в связи с изменением состава атмосферы, вызванного деятельностью человека и, в частности, выбросом в атмосферу больших количеств продуктов сгорания моторных топлив, угля, природного газа и других веществ [258]. В страто­сфере, на высоте от 15 до 50 км, постепенно повышается кон­центрация газов (диоксида углерода, метана, оксида азота), обычно присутствующих там в небольших количествах и вы­полняющих роль «термостата», регулирующего температуры в более низких слоях атмосферы, и «фильтра», который пропу­скает коротковолновое излучение, приходящее от Солнца, и задерживает отражаемые Землей тепловые лучи большей длины волны. Существенное повышение концентрации диоксида углерода и других газов может привести вследствие так назы­ваемого «парникового эффекта» к заметному повышению тем­пературы воздуха у поверхности Земли, а также температуры поверхности океанов и морей, что в свою очередь приведет к

значительным и необратимым изменениям климата Земли.

Известно [258], что средняя температура на Земле, состав­ляющая сейчас 15°С, на протяжении многих тысячелетий была исключительно стабильной. В последние же десятилетия ука­занная температура стала заметно повышаться. Специалисты объясняют это не только увеличением содержания в атмосфере диоксида углерода, но и других химических веществ, в том чис­ле углеводородов, хлор- и фторуглеводородов, оксидов азота.

Особую озабоченность вызывает наблюдаемое в последнее время снижение концентрации озона в стратосфере, особенно у полюсов Земли. Озоновый слой вокруг Земли защищает ее от опасного солнечного ультрафиолетового излучения, губи­тельного для животного и растительного мира. По мнению не­которых ученых, причиной этого разрушения может быть попа­дание в стратосферу галогенов—фтора, хлора и брома, а так­же их производных. Даже малые количества этих соединений могут приводить к заметному истощению озонового слоя.

Сказанное выше ставит перед конструкторами авиационной и ракетно-космической техники, нефтехимиками, химиками и химмотологами новые задачи по созданию техники, работаю­щей на экологически менее опасных топливах. В этом отноше­нии перспективным следует считать использование в качестве ракетного горючего и реактивного топлива сжиженного при­родного газа (метана), в котором самое благоприятное (мак­симальное) соотношение водорода и углерода (чем в любом другом углеводороде), практически нет азота и серы. Кроме того, ресурсы природного газа больше, чем нефти. Применение жидкого метана в ракетно-космической и авиационной технике вместо керосина связано с необходимостью дополнительных затрат и преодолением некоторых эксплуатационных трудно­стей, обусловленных прежде всего особенностями применения криогенной техники. Однако ожидаемые энергетический, ре­сурсный и экологический эффекты окупят затраты на создание и освоение новой техники, использующей в качестве горючего сжиженный природный газ. Это подтверждается и примером успешного применения в ряде стран, в том числе и в СССР, в качестве моторного топлива для автомобильной техники сжа­того природного газа.

Наиболее экологически «чистым» и поэтому перспективным ракетным горючим и реактивным топливом (для авиации) сле­дует считать жидкий водород. Продуктом его сгорания в ЖРД и ВРД является вода, а вредных для окружающей среды при­месей почти не образуется. Учитывая высокие энергетические свойства и практически неограниченные сырьевые ресурсы жидкого водорода (его можно получать из воды), это горючее следует рассматривать как самое перспективное для ракетно-космической и авиационной техники. Жидкий водород пред­ставляет интерес и как топливо будущего для всех видов транспорта. Массовое применение такого топлива станет эко-

номически оправданным лишь после освоения технологии по­лучения дешевой электроэнергии на атомных (термоядерных) электростанциях, что позволит получать водород в больших количествах электролизом воды.

В настоящее время жидкий водород получил весьма широ­кое применение в качестве ракетного горючего для ЖРД ракет-носителей типа «Сатурн-5», космических кораблей многоразо­вого действия типа «Шаттл». Недавно американская фирма «Pacific American» разработала проект одноступенчатой много­разовой ракеты-носителя «Феникс» с жидкостными ракетными двигателями, работающими на жидких водороде и кислороде [259]. Компоненты топлива в указанной ракете охлаждаются до шугообразного состояния с целью повышения их плотности. Стартовая масса ракеты—206 т, а масса полезной нагрузки, выводимой на околоземную орбиту, — около 9 т. Срок службы ракеты «Феникс» планируется на 1000 полетов при минималь­ном межполетном техническом обслуживании. Стоимость за­пуска ракеты, по расчетам фирмы, ожидается в 10 раз меньше, чем для челночных кораблей типа «Шаттл».

Создание ракет-носителей и космических кораблей много­разового использования потребовало решения ряда химмото-логических проблем, связанных с повышением безопасности и надежности полетов, а также с экологией. В США ведутся работы по созданию космических кораблей многоразового дей­ствия, которые бы стартовали с аэродромов как обычные само­леты. Идея создания самолета-ракеты давно волновала умы ученых и конструкторов. Еще до второй мировой войны Зенгер и Вальтер в Германии, а позже фирма «Douglas» в США пытались создать самолеты с жидкостными ракетными двига­телями [260]. Эти и последующие работы завершились разра­боткой и применением ряда самолетных ускорителей с ракет­ными двигателями.

Развитие авиации в ближайшие десятилетия будет, по-ви­димому, идти по двум направлениям: создания транспортных и пассажирских самолетов с максимально экономичными дви­гателями, работающими на экологически более «чистых», чем керосин, топливах (например, на жидком водороде и метане), и разработки гиперзвуковых летательных аппаратов, способ­ных совершать полеты в стратосфере и околоземном космиче­ском пространстве. Это потребует решения ряда сложных хим-мотологических задач в области ракетных и реактивных топ-лив, в том числе таких, как повышение химмотологической на­дежности ЖРД и ВРД и в целом летательных аппаратов.

Следует отметить, что химмотология как наука пока еще недостаточно уделяла внимание вопросам химмотологической надежности двигателей и механизмов, т. е. надежности, зави­сящей от уровня качества и эксплуатационных свойств топлив, смазочных материалов и специальных жидкостей, хотя зача­стую надежность и сроки эксплуатации техники в значительной

мере лимитируются качеством горюче-смазочных материалов. Необходимо как можно быстрее разработать критерии и мето­ды оценки и прогнозирования химмотологической надежности с максимальным использованием современных возможностей математики, электронно-вычислительной техники и теории мо­делирования.

В монографии В. А. Пискунова и В. М. Зрелова [261] впер­вые была сделана попытка рассмотреть вопросы химмотологи­ческой надежности авиационной техники. Основные показатели надежности этой техники, такие, как безотказность, долговеч­ность, ремонтопригодность и сохранность при прочих равных условиях сильно зависят от качества реактивных топлив. На­дежность эксплуатации авиационной техники определяется правильным ее конструктивным исполнением, применением со­ответствующих конструкционных материалов, соблюдением всех технологических требований при изготовлении, строгим выполнением правил эксплуатации и, наконец, рациональным выбором и применением горюче-смазочных материалов с необ­ходимым уровнем и запасом их качества.

Показано [261] влияние качества и эксплуатационных свойств реактивных топлив на надежность эксплуатации воз­душно-реактивных двигателей и самолетов в целом, в частно­сти, на работоспособность и безотказность топливных систем самолетов, топливно-масляных радиаторов и фильтров, авто­матической топливоподающей аппаратуры, форсунок, топлив­ных коллекторов и пусковых устройств ВРД, узлов и агрегатов газового тракта двигателей и др. Отмечено, как влияют на надежность указанных систем и агрегатов испаряемость и вяз­кость топлив, растворимость в них газов, низкотемпературные свойства, термостабильность топлив, склонность к образованию в них твердой фазы при повышенных и отрицательных темпе­ратурах, пожароопасность, воздействие на резиновые техниче­ские изделия, склонность к нагарообразованию, коррозионные и другие свойства. Достаточно подробно описаны [5] наиболее характерные неисправности и отказы в работе, возникающие в двигателях и топливных системах самолетов в процессе экс­плуатации и в той или иной степени связанные с качеством и эксплуатационными свойствами реактивных топлив. Однако в целом очень Полезная для химмотологов, авиаконструкторов и эксплуатационников книга содержит лишь качественное опи­сание химмотологической надежности авиационной техники и не дает каких-либо представлений о количественных зависи­мостях и критериях такой надежности. Это, по-видимому, должно стать предметом химмотологических исследований и разработок в ближайшем будущем.

Характеристики

Список файлов книги