Штехер М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1241539), страница 23
Текст из файла (страница 23)
В ряде случаев спорным является возможность применения жидкого водорода в качестве компонента ракетного топлива, или он является не конкурентоспсобным по сравнению с другими горючими. Это положение в какой-то степени связано с физико-химическими свойствамч жидкого водорода. При нормальной температуре водород — газ, бесцветный, без запаха, нетоксичный, но жизненные процессы не поддерживает, так как не обеспечивает дыхание.
Газофазный водород называется нормальным водородом и состоит из 25% параводорода и 75% ортоводорода, соответственно обозначаемых Р— На и Π— Нь Различие пара- и ортоформ определяется их спином, у паравопорода спин протонов противоположно направленный, у ортоводорода — одинаково направленный. Наличие этих двух форм существенно сказывается на условиях эксплуатации жидкого водорода. С понижением температуры газа происходит так называемая реконверсия — переход из орто- в параформу, при этом меняется направление спина, а это, в свою очередь, приводит к выделению энергии и повышению температуры. Содержание пара- и ортоформы в зависимости от температуры дано в табл.
3.2. Таблица 3.2 42,5 170 85 21 Т, К 48 86 99,7 р — н% Жидкий водород представляет собой бесцветную жидкость без запаха, с весьма высокой степенью криогенности. Водород сжижается при +20 К, а при 14 К переходит в твердое состояние, следовательно, в жидкофазном состоянии он находится в очень узком диапазоне температуры около 6', на очень низком уровне по абсолютной шкале. Его критическое давление 12,81 кгс/см', критическая температура Т=ЗЗ,ОЗ К. Плотность жидкого водорода у=0,071 г/см' низка по сравнению с другимн жидкими горючими.
Низкая плотность жидкого водорода вызывает серьезные трудности при создании ракет с его использованием, так как резко возрастают объем и габариты бака для горючего. Низкая плотность является одним из главных недостатков водорода как горючего. Вторым и также существенным недо- 102 статком жидкого водорода является его способность сжиматься при увеличении давления. Обычно жидкости несжимаемы.
Жидкий водород сжимается, и при этом изменение его объема приблизительно отвечает характеристическому уравнению, т. е. его параметры подчиняются уравнению ри=КТ, а более точно — уравнению Ван-дер-Ваальса. Сжимаемость жидкого водорода вызывает серьезные трудности в работе и конструкции насосов ТНЛ ракетной установки. При работе с водородом невозможно получить обычные расчетные давления жидкости на выходных фланцах насоса, приходится делать насос с несколькими ступенями сжатия, т.
е. вместо одного рабочего колеса насос для жидкого водорода должен иметь 3 — 4 колеса. Усложнение конструкции ротора насоса неминуемо вызывает усложнение корпуса и приводит к значительному увеличению веса ТНА в целом. Соотношение между весом горючего и окислителем, характеризующееся у~ и к, для водорода меняется в очень широкихпределах в зависимости от окислителя, так для кислорода к,=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 4!20 — 4220 м/с при а=0,4, т. е. при значительном отступлении от стсхиометрии, когда и=1,0. Такое отклонение по к и а снова ставит в затруднительное положение конструктора, так как при а=0,4 объем баков для горючего — водорода должен быть почти в 2,0 раза больше, чем при стехиометрни, когда а=!,0 и из=8,!. 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 (а-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, получается наибольшее количество свободного водорода и молеку. лярный вес продуктов реакции достигает минимума, а это, гз свою очередь, ведет к увеличению газовой постоянной продуктов сгорания, росту скорости истечения и удельного импульса. Положение значительно улучшается при переходе к такому окислнтелю, как фтор. Водород с фтором дает удельный импульс в 103 пределах 4520 — 4670 м/с при а=-0,95, т.
е, весьма близко к кр= =-!9,0. 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 методом конверсии водорода в таких соединениях, как метан (СН,,), или воздействием водяного пара на раскаленный кокс по реакции НзО+С=На+СО. При этом образуется водород, а СО переходит в СОз при дополнительной обработке водяным паром. При конверсии водород замещается, например, в метане (СН,). 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 мед.ченно 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'(э 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 Ге,О,, зктивированпого угля С, никеля % 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 Ъ до 94% водорода, с воздухом от 12'(с до 84'/е. Температура самовоспламенения этих смесей около 500'С (775 К). Пожароопасность увеличивается за счет электризации парофазной 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, яо 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 заживаюшее. Работа в атмосфере, насыщенной газофазным водородом, должна производиться только в изолируюших противогазах, но практически такая работа недопустима по условиям пожаро- и взрывоопасности. Жидкий водород не обладает коррозионной активностью по отугошению ко всем конструкционным материалам, но может вызвать разрушение материала за счет его охрупчнвания при очень низкой температуре, свойственной жидкому водороду. Прочность нержавеющих сталей, алюминия и его сплавов, титана, монельметалла и низкоуглеродистых сталей с до- Е бавкой никеля незначительно снижается при контакте с жидким водородом, по- л" 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 у зависиг от материала и методов его обработки. Рис, 3.2, Схематический Глубина наводороживания, т. е. про- разрез промышленного никновения молекул водорода в кристал- сосуда дли хранении и перевозки жидкого аолггчеса<Ую РешеткУ констРУкцнонного ма о ода и геч и с ма- териала не превышает 4 — 6 мм, а при на- дыми потерями г<а испагартовке материала может быть не бо- рение: лее 2 — 1,5 мм [41].
Для алюминия наводо- у — тонкие трубки на неожа- веюжей стали; у — жидкий роживание может достигать 15 — 30 мм, а при нагартовке уменьшается до 4 — — '6 мм < — жидкий гелий нлн водо-' род; 5 — высокий вакуум б- [41]. Наводороживание — явление отрица- ' медь тельное, изучено оно еще недостаточно. При использовании жидкого водорода на практике возникает ряд трудностей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
