Штехер М. С. - Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1043408), страница 19

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

Текст из файла (страница 19)

Соотношение между весом горючего и окислителем, характеризующееся ₀ и c, для водорода меняется в очень широкихпределах в зависимости от окислителя, так для кислорода ₀= 8,1, а для фтора 19. В реальных условиях двигатели обычно работа­ют при соотношениях окислителя к горючему меньше стехиометрических, и подбираются эти соотношения, на основе расчета и эксперимента по условиям максимальных тяг или целесообразному уровню температуры в камере.

Водород с кислородом дает удельный импульс в пределах 4120-4220 м/с при  = 0,4, т. е. при значительном отступлении от стехиометрии, когда  =1,0. Такое отклонение по  и  снова ставит в затруднительное положение конструктора, так как при  = 0,4 объем баков для горючего - водорода должен быть почти в 2,0 раза больше, чем при стехиометрии, когда  =1,0 и ₀= 8,1.

Необходимо обратить внимание на то, что водород - кислород является единственным топливом среди широко известных топлив, где максимальный удельный импульс тяги достигается при таком глубоком обогащении горючим ( ~0,3).

Доказательством такого исключения являются кривые изменения удельного импульса по составу смеси, приведенные для ряда топлив на рис. 3.4. Причина сдвига максимума удельной тяги кислород - водородного топлива в область глубокого обогащения горючим кроется в характере реакции окисления водорода. В этом случае именно при значениях а, близких к 0,3, по-лучается наибольшее количество свободного водорода и молекулярный вес продуктов реакции достигает минимума, а это, в свою очередь, ведет к увеличению газовой постоянной продуктов сгорания, росту скорости истечения и удельного импульса. Положение значительно улучшается при переходе к такому окислителю, как фтор. Водород с фтором дает удельный импульс в

103

пределах 4520-4670 м/с при  = 0,95, т. е. весьма близко к ₀= = 19,0. В этом случае фтора должно быть почти в 18 раз больше, чем водорода, и если учесть, что удельный вес фтора высок (около 1,65), то удельный вес топлива в этом случае будет также выше, а это значительно улучшает показатели ракеты. Относительно малый запас горючего - водорода с малым удельным весом и большим объемом бака по сравнению с запасом окислителя - фтора с большим удельным весом и малым объемом бака, обычно приводит к тому, что габариты их баков становятся примерно одинаковыми. Равенство габаритов баков окислителя и горючего заметно упрощает конструирование ракетной установки.

Газообразный водород получают электролизом воды либо ме-тодом конверсии водорода в таких соединениях, как метан-(СН₄), или воздействием водяного пара на раскаленный кокс по реакции Н₂О + С = Н₂+СО. При этом образуется водород, а СО переходит в СО₂ при дополнительной обработке водяным паром. При конверсии водород замещается, например, в метане (СН₄).

Газофазный водород после соответствующей очистки и сушки сжижается охлаждением с последующим дросселированием. При сжижении надо учитывать реконверсию орто- параводорода.

В газофазном водороде реакция реконверсии, т. е. Перехода ортоводорода в параводород, без применения катализаторов не идет. В сжиженном водороде переход протекает очень медленно и сопровождается значительным выделением тепла, это задерживает сжижение и удорожает процесс.

Обычно орто- параконверсия производится в две ступени:

первая ступень - при охлаждении до температуры жидкого азота, в этом случае образуется до 50% параводорода;

вторая ступень - при дальнейшем охлаждении до температуры кипения жидкого водорода, при этом ортоводород почти полностью переходит в параводород.

Скорость конверсии можно значительно увеличить за счет применения катализаторов — гидроокиси железа Fe₂O₃, активированного угля С, никеля Ni и др.

Водород представляет собой пожароопасную жидкость, так как дает с кислородом и воздухом легковоспламеняющиеся смеси в очень широком диапазоне концентрации, с кислородом от 4% до 94% водорода, с воздухом от 12% до 84%. Температура самовоспламенения этих смесей около 500° С (775 К).

Пожароопасность увеличивается за счет электризации парафазной струи при утечках водорода. При воспламенении водород горит бесцветным пламенем, что затрудняет обнаружение воспламенения и создает значительную опасность неожиданного контакта с факелом.

Водород не токсичен, но дыхания не поддерживает и, таким образом, не обеспечивает жизненных процессов организма. При контакте с жидким водородом возникает мгновенное обморажи-

104

ванне, внешне напоминающее ожог глубокого проникновения и поэтому долго не заживающее.

Работа в атмосфере, насыщенной газофазным водородом, должна производиться только в изолирующих противогазах, но практически такая работа недопустима по условиям пожаро- и взрывоопасности.

Жидкий водород не обладает коррозионной активностью по отношению ко всем конструкционным материалам, но может вызвать разрушение материала за счет его охрупчивания при очень низкой температуре, свойственной жидкому водороду. Прочность нержавеющих сталей, алюминия и его сплавов, титана, монельметалла и низкоуглеродистых сталей с добавкой никеля незначительно снижается при контакте с жидким водородом, по-этому они могут применяться в качестве конструкционных материалов. Воздействие жидкого водорода на конструкционные материалы не ограничивается только охрупчиванием из-за низких температур, водород обладает способностью проникновения через толщу материала, в частности, металлов. Это явление носит название «наводороживание» материала, оно зависит от материала и методов его обработки.

Глубина наводороживания, т. е. про-никновения молекул водорода в кристаллическую решетку конструкционного матерлала не превышает 4-6 мм, а при нагартовке материала может быть не более 2-1,5 мм [41]. Для алюминия наводороживание может достигать 15-30 мм, а при нагартовке уменьшается до 4- 6мм[41]. Наводороживание - явление отрицательное, изучено оно еще недостаточно.

При использовании жидкого водорода на практике возникает ряд трудностей. Одной из главных является задача сохранения водорода в жидком состоянии наиболее длительное время. При наличии хорошей теплоизоляции и возможно низкой температуры емкостей с водородом эта задача частично разрешается (рис. 3.2). Обычная теплоизоляция емкостей или трубопроводов, несущих жидкий водород, выполняется с помощью пенопластов, но ее действие, как правило, недостаточно, поэтому требуется постоянная подпитка емкостей жидким водородом. Несколько лучшие результаты дает применение одновременно с пенопластовой теплоизоляцией вакуумной изоляции по типу сосудов Дью-

105

ара. Еще лучшие результаты получают при использовании вакуумной изоляции с покрытием внутренних стенок вакуумированного пространства алюминиевой фольгой для увеличения отражательной способности поверхности (рис. 3.3).

П
о данным США, при заправке жидкого водорода в баки возможны испарения первых порций водорода, равных 1-1,5 объемам заливаемой емкости [62]. После заливки и охлаждения емкостей и систем питания нормальное испарение жидкого водорода обычно составляет около 3%. Но этот процент может резко увеличиваться при наличии самого незначительного подогрева. Как показывает практика эксплуатации жидкого водорода, подогрев жидкости на 2-3° С очень нежелателен, так как дает значительные потери компонента (до 25%). Экспериментально установлено [62], что движение жидкого водорода через насосы ТНА сопровождается подогревом на 1,8-2,0°, что составляет значительную величину, так как температура жидкофазного сос-тояния водорода всего 6°.

106

В процессе заправки жидкого водорода в баки возникает еще одна проблема - очистка баков от возможных посторонних примесей, влаги и воздуха.

Воздух, и особенно влажный воздух, при контакте с жидким водородом почти мгновенно конденсируется и застывает. Значительное количество образовавшейся твердой фазы может привести к закупорке трубопроводов к насосам и вызвать чисто механические повреждения лопаток колес ТНА. Малые количества влаги могут вызвать примерзание различных клапанов и элементов систем управления работой баков. Посторонние примеси, такие как азот, метан, окись углерода, технологическая грязь, грязь от продувки баков, недопустимы.

Особенно опасно попадание в бак с водородом газообразного или жидкого кислорода, который немедленно замерзает и опускается на дно баков. При этом образуется так называемая «гремучая смесь», способная взрываться при самом незначительном внешнем импульсе, например, при толчке бака.

Поэтому необходима тщательная очистка баков перед заправкой и удаление воздуха и других газов вакуумированием баков.

В этих условиях наддув баков с жидким водородом должен выполняться только газообразным гелием.

Шугообразный водород

Шугообразный водород - это механическая смесь жидкого водорода с твердым водородом в виде льда, плавающего в жидком водороде.

Образование шуги в водороде требует небольшого - до 0,7° С переохлаждения жидкого водорода. Если этот процесс растянуть во времени, начнется так называемое «старение» шуги. Этот процесс необходим, так как образующаяся вначале шуга является пористой и имеет неправильную форму. В процессе старения шуга уплотняется, и ее кусочки приобретают шарооб-разную форму. Уплотнение шуги само по себе очень важно, так как при этом увеличивается плотность водорода до 0,08-0,087 г/см³. Шарообразная форма твердых частиц нужна дпя обеспечения лучших условий течения шугообразного водорода по трубопроводам системы питания двигателя и через рабочие ко-леса насосов. Диаметр «шариков» может колебаться от 0,05 до 0,6 см и зависит от времени старения.

Количество твердофазного водорода в жидком зависит от времени старения. За первые 5 ч образуется до 35% шуги, за последующие 10-12 ч это количество возрастает до 50%, а после 100 ч может достигать 60-65% от общей массы водорода.

Ниже рассмотрены преимущества применения шугообразного водорода по сравнению с обычным жидким водородом:

а) повышение плотности горючего от 0,077 до 0,087 и соответственно использования объема баков;

107

б) высокая скрытая теплота плавления (56,2 кДж/кг), увеличение степени поглощения тепла массой водорода и удлинение времени хранения;

в) возможность применять обычную пеноуретановую теплоизоляцию с толщиной слоя до 75 мм благодаря высокой скрытой теплоте плавления шугообразного водорода;

г) сохранение текучести горючего, что позволяет нормально перекачивать по системам питания шугообразный водород, так же как обычный жидкий;

д) возможность (как показывают расчеты) увеличения по-лезной нагрузки ракеты на 30-35% за счет уплотнения топлива при использовании шугообразного водорода.

Применение шугообразного водорода имеет и ряд недостат-ков, главные из них:

а) увеличение времени стартовой подготовки ракеты из-за потребности определенного времени на старение шуги;

б) необходимость организации рециркуляции шугообразного водорода через баки и систему питания двигателя при заправке с одновременной фильтрацией - задержанием шуги в баках для накопления соответствующей концентрации массы, что усложняет систему и увеличивает время заправки;

в) отсутствие надежных методов контроля за поведением об-разовавшейся шуги и ее распределением в баках при заправке;

г) недостаточность сведений об условиях образования и эксплуатации шугообразного водорода на двигателе.

Ниже приведены некоторые данные, полученные по американским источникам [62], подтверждающие рациональность использования шугообразного водорода на ракетных системах.

1. Для шугообразного водорода после заправки баков обязательно нужна организация циркуляции и дренаж, для нормального жидкого водорода это не обязательно.

2. Температура компонента на входе в двигатель для жидко-го водорода 37-40 К, для шугообразного - около 25 К-

3. Удельный импульс с нормальным жидким водородом и кис-лородом составляет 425-442 с, для шугообразного водорода он равен 423-440 с.

4. Оптимальная толщина слоя теплоизоляции для жидкого водорода должна соответствовать номинальной, для шугообразного - она может быть ниже.

5. Для наддува баков с жидким водородом требуется номинальное количество газа, для наддува баков с шугообразным водородом требуется количество газа, несколько превышающее номинальное.

В опытах на ракете «Сатурн-5» было установлено, что в баки можно загрузить 23,0 т шугообразного водорода вместо 19,9 т нормального жидкого водорода. Оптимальное значение c для водородкислородного топлива равно 5,5, а для шугообразного (50% шуги) - 4,2. В то же время степень выкипания топлива

Характеристики

Список файлов книги