Топлива тепловых двигателей

4.1. Факторы, определяющие требования к топливам

Топлива тепловых двигателей являются носителями химической энергии и источником массы рабочего тела. Продукты сгорания в конечном итоге используются для совершения механический работы. Для процесса горения, представляющего собой быстротекущее окисление, требуется окислитель и горючее.

Для некоторых тепловых двигателей (поршневых ДВС, воздушно-реактивных, гидроракетных) окислителем является вещество, поступающее в двигатель из окружающей среды: атмосферный воздух или забортная вода.

В ракетных двигателях окислитель и горючее находятся на борту транспортного средства. В ряде случаев используются однокомпонентные (унитарные) топлива, способные к экзотермическим реакциям разложения.

Химические топлива в соответствии с их агрегатным состоянием могут быть жидкими, твердыми и газообразными.

Топлива для тепловых двигателей должны обладать определенными физико-химическими, эксплуатационными, экономическими и экологическими показателями.

К физико-химическим показателям относят параметры, характеризующие состояние компонента и его состав; плотность, вязкость, теплоемкость, теплопроводность, теплоту образования, критические параметры, температуру плавления и кипения.

К эксплуатационным относят свойства топлив, определяющие надежность и экономичность эксплуатации двигателя. Такими свойствами являются детонационная стойкость (октановое число) или склонность к воспламенению (цетановое число) углеводородных горючих для поршневых ДВС, температурные и концентрационные пределы воспламенения, пределы устойчивого горения, температура самовоспламенения, время задержки воспламенения или самовоспламенения, а также такие свойства, как испаряемость, прокачиваемость, склонность к образованию отложений, коррозионную активность, охлаждающие свойства, совместимость с конструкционными материалами и другие.

4.2. Общие требования к топливам как термодинамической системе

С учетом приведенных факторов топлива для тепловых двигателей должны отвечать следующим общим требованиям.

1. Обладать высоким значением теплоты сгорания или удельного импульса (в случае ракетных двигателей), высокой плотностью. Плотность веществ и их теплота сгорания между собой не связаны, поэтому при сравнении альтернативных вариантов топлив нередки случаи, когда более эффективное по удельному импульсу (теплоте сгорания) топливо обладает меньшей плотностью, и наоборот. Поэтому необходим учет совместного влияния обоих энергетических параметров топлива, хотя иногда влияние плотности топлива оказы­вается менее значимым, чем удельного импульса.

Число возможных сочетаний окислителей с горючими для ракетных двигателей, особенно для ЖРД, может достигать нескольких сотен. Если какая-то группа топлив выбрана из условий назначения летательного аппарата и удовлетворяет его эксплуатационным, экономическим и экологическим параметрам, то сопоставление отдельных топлив из выбранной группы по энергетическим возможностям можно выполнить по расчетному значению приращения идеальной скорости летательного аппарата (ЛА)

(4.1)

где - массовое число ЛА;

- масса ЛА в момент включения двигателя (для двигателей первой ступени - стартовая масса ЛА);

т _к — масса ЛА в момент выключения двигателя (конечная масса ЛА);

т _т — масса топлива.

Формула для вычисления получена в предположении прямолинейного движения в пустоте и отсутствия действия на ЛА гравитационных сил.

Для первых ступеней ракет влияние на относительных изменений удельного импульса и плотности при выборе различных топлив в энергетическом плане примерно одинаково. Для верхних ступеней ракет оправдано применение топлив с высоким удельным импульсом (с использованием в качестве, горючего жидкого водорода), хотя и с малой плотностью.

2. В условиях длительного хранения, транспортировки и применения необходимы высокая стабильность, низкая гигроскопичность, малая токсичность и взрывобезопасность топлив и его компонентов.

3. Применение топлива или отдельных его компонентов должно быть экономически целесообразным: сырьевые ресурсы должны быть достаточными, технологическая и производственная база - доступной и развитой. Желательно, чтобы компоненты топлива для ракет военного назначения находили применение в отраслях, не связанных с оборонной техникой.

4.3. Топлива на основе воздуха в качестве окислителя

(бензины, дизельное топливо, сжиженные газы, спирты)

В поршневых ДВС с внешним смесеобразованием для получения однородной (гомогенной) и однофазной топливовоздушной смеси используют легко испаряющиеся и хорошо перемешивающиеся с воздухом бензиновые фракции. В качестве дизельного горючего используют бензиновые, лигроиновые, соляровые фракции нефти и мазуты.

Для наземного и водного транспорта в поршневых ДВС все большее распространение получают газообразные горючие. Они обладают, во-первых, повышенной детонационной стойкостью (октановое число составляет 80...110), что позволяет использовать газообразные горючие в двигателях с более высокой степенью сжатия. При работе двигателя на газе удается, во-вторых, организовать более совершенное смесеобразование по сравнению с жидким горючим, в-третьих, токсичность отработавших газов снижается в 4 -5 раз. Применение газа уменьшает нагарообразование, исключает возможность конденсации паров горючего на стенках цилиндра, что увеличивает, в конечном, в 1,5¸2 раза срок службы двигателя и периодичность смены масла.

Недостатками газообразного горючего при использовании их в ДВС являются более низкая скорость и меньшая объемная теплота сгорания по сравнению с жидкими нефтяными горючими. В результате этого при переводе поршневых ДВС на газ мощность, в зависимости от вида применяемого газа, уменьшается на 7...12% (при одной и той же степени сжатия), ухудшаются динамические характеристики (увеличивается время разгона), затрудняется пуск холодного двигателя. Кроме того, газообразные углеводородные горючие имеют низкие значения цетановых чисел (ЦЧ). Цетановое число является показателем самовоспламеняемости дизельного (или газообразного) горючего, чем оно ниже, тем хуже самовоспламеняемость. Их применение в дизельных двигателях возможно, главным образом, при осуществлении газо-жидкостного цикла, когда к концу сжатия газо-воздушной смеси в камеру сгорания подается запальная доза дизельного горючего.

Для газобаллонных автомобилей применяют сжатые (природные) и сжиженные (продукты переработки нефти) газы. Сжатые газы состоят в основном из метана, а сжиженные - из пропана и бутана. Физико-технические показатели основных углеводородных газов, входящих в состав газовых топлив, приведены в табл.4.1. Газообразные горючие па основе природных газов широко используются на современных электростанциях и мощных газотурбинных установках для выработки электроэнергии.

Таблица 4.1

Показатель	Метан	Сжиженные нефтяные газы	Бензин (для сравнения)
Этан	Пропан	Бутан (норм)	Пентан (норм)
Химическая формула	СН4	С2Н6	С3Н8	С4Н10	С5Н12	Смесь углеводородов
Плотность газовой фазы при 0^оС и 101,325 КПа	0,717	1,356	2,019	2,703	3,22	-
Плотность жидкости при Ткип						720-740
Низкая теплота сгорания:
объемная, МДж/м^3	33,7	60,0	85,5	111.5	137,5	-
массовая, МДж/кг	48,7	47,0	45,7	45,4	45,1	43,9
Октановое число						72-84
Цетановое число		-				-
Температура воспламене-ния при 101,325 КПа в ^оС	640-680	509-605	510-580	475-550	475-510	270-330
Пределы воспламенения, %:
нижний	5,0	3,2	2,4	1,9	1,4	1,5
верхний	14,0	12,5	9,5	8,5	8,0	6,0

Возможными перспективными горючими для поршневых ДВС и воздушно-реактивных двигателей могут стать криогенные (с температурой кипения ниже 120 К) горючие - метан и водород.

Низшая теплота сгорания метана в 1,16 раза, а водорода в 2,8 раза выше, чем у бензинов и керосинов, практически в горючем отсутствует азот и сера, ресурсы природного газа больше, чем нефти. Ресурсы водорода при получении его электролизом воды практически неограниченны. Стоимость сжиженного метана соизмерима со стоимостью керосина, а стоимость жидкого водорода имеет тенденцию к уменьшению по мере совершенствования технологии и увеличения производства. Охлаждающие свойства метана примерно в 3 раза, а водорода в 15 раз превосходят охлаждающие свойства керосинов и могут быть использованы для охлаждения высокотемпературных элементов двигателя и летательного аппарата, что позволит увеличить скорость полета, максимальную температуру цикла двигателя, его эффективность. Недостатком метана и водорода являются их низкие значения плотности: у метана—424 кг/м³; у водорода всего 70,9 кг/м³. Это означает, что при переходе от керосина к водороду для сохранения на борту летательного аппарата равноценного запаса химической энергии, требуется увеличить объем баков более чем в 4 раза. Однако все эксплуатационные трудности, связанные с применением криогенных горючих, не являются непреодолимыми, о чем свидетельствует экспериментальный полет ТУ-155 с использованием в качестве горючего жидкого водорода.

В ряде стран успешно применяются в чистом виде или в качестве добавок к бензинам (до 20%) спирты: этиловый (этанол С₂Н₅ОН) и метиловый (метанол СН₃ОН). Низшая теплота сгорания метанола в 2,2 раза, а этанола в 1,59 раза меньше, чем у бензина, но у спиртов существенно шире концентрационные пределы воспламенения и более высокие значения октановых чисел (около 110 единиц). Высокая детонационная стойкость спиртов позволяет повышать степень сжатия в двигателях с принудительным воспламенением до 12...14 и тем самым компенсировать потери мощности из-за меньшей теплоты сгорания; полнота сгорания спиртов превосходит аналогичный показатель бензина.

Продукты сгорания спиртов содержат значительно меньше экологически опасных веществ. Так, в выхлопных газах метанольного двигателя содержится в 5 раз меньше углекислого газа и в 10 раз меньше различных углеводородов по сравнению с бензиновыми двигателями.

Наиболее широко этиловый спирт в качестве горючего применяют в Бразилии (страна не имеет нефтяных и газовых месторождений). В этой стране этиловый спирт получают в процессе ферментации сахарного тростника - энергоемкого процесса с образованием загрязняющих отходов - сивушных масел. Наиболее распространенная технология получения метанола — комбинированная газификация каменного угля. Такое производство метанола весьма энергоемко, и кроме того, сопровождается выбросами в атмосферу больших количеств углекислого газа. Существуют другие технологии получении метанола, например, конверсией метана, однако они пока не в состоянии конкурировать с освоенными технологиями.

4.4. Жидкие ракетные топлива

1. Классификация жидких ракетных топлив. Жидкое ракетное топливо (ЖРТ) — вещество или совокупность веществ в жидком состоянии, способных к химическим экзотермическим реакциям с образованием высокотемпературных продуктов. По своему назначению ЖРТ подразделяют на основные, пусковые, и вспомогательные. Основными являются топлива, создающие всю или основную долю тяги ДУ. Пусковое топливо используют в начальный период запуска двигателя для воспламенения несамовоспламеняющихся при контакте основных компонентов. На продуктах сгорания или разложения вспомогательного топлива могут работать турбины, рулевые сопла и агрегаты, не создающие непосредственно основной доли тяги двигателя.

По числу основных компонентов различают одно-, двух- и трехкомпонентные топлива. Современные ЖРД наиболее широко используют двухкомпонентные жидкие топлива. Такое топливо сравнительно безопасно в эксплуатации, допускает широкий выбор компонентов. К числу трехкомпонентных топлив можно отнести топлива, состоящие из окислители и горючего, обеспечивающих высокий уровень выделения тепла, и третьего компонента, продукты нагрева или разложения которого обладают малой молекулярной массой и, следовательно, большой работоспособностью и удельным импульсом. В качестве третьего компонента может быть водород, метан и другие легкие вещества. Исследуемые трехкомпонентные топлива в большинстве своем - топлива металлосодержащие, представляющие собой окислитель, горючее и твердые частицы металла.

Двухкомпонентные топлива можно классифицировать по родственным окислителям, поскольку именно окислитель, содержание которого в различных топливах составляет 75—95% (по массе), определяет особенности топливной композиции. Различают, в частности, кислородные, азотно-кислотные, азотно-тетроксидные, перекись-водородные, хлорные и фторные топлива.

В зависимости от реакционной способности окислителя и горючего при их непосредственном контакте топлива разделяют на самовоспламеняющиеся и несамовоспламеняющиеся. Самовоспламеняющиеся топлива во всем диапазоне эксплуатационных температур и давлений реагируют при контакте в жидкой фазе с выделением тепла, достаточного для воспламенения топливной смеси. Воспламенение несамовоспламеняющихся в обычных условиях топливных пар можно обеспечить каталитическим воздействием, введением в один из компонентов активизирующих присадок или подводом тепла от внешнего источника.

По интервалу температур сохранения жидкого состояния топлива подразделяют на высококипящие и низкокипящие. Высококипящие компоненты топлива в условиях эксплуатации имеют температуру кипения выше 298К и хранятся в обычных условиях без потерь на испарение. Низкокипящие компоненты топлива при стандартном давлении имеют температуру кипения ниже 298К и находятся в газообразном состоянии. Некоторые компоненты (например, аммиак NH₃) можно эксплуатировать как высококипящее при поддержании определенного избыточного давления в баке. Среди низкокипящих компонентов выделяют группу так называемых криогенных компонентов топлив, имеющих температуру кипения ниже 120 К. Криогенный компонент нельзя хранить в жидком состоянии без принятия специальных мер его тепловой изоляции. К криогенным компонентам относятся: кислород, водород, фтор, метан и др. Для уменьшения потерь на испарение и увеличение плотности возможно применение криогенного компонента в шугообразном состоянии, т.е. в виде подвижной грубодисперсной двухфазной смеси твердой и жидкой фаз этого компонента.

По физической и химической стойкости в течение длительного времени различают топлива длительного хранения или стабильные, и топлива кратковременного хранения. Компоненты стабильных топлив хранятся в баках ракет при давлениях насыщенного пара без существенных потерь и обладают стабильностью физико-химических свойств в течение заданного времени.

2. Современные применяемые топлива. В ДУ первых ступеней ракет, служащих для запуска космических объектов, нашло применение эффективное, низкой стоимости топливо: жидкий кислород + керосин. Углеводородное горючее «керосин» получают из нефти, которое не содержит веществ, склонных к образованию смолистых отложений при высоких температурах.

Для вторых и выше ступеней ракет используется наиболее эффективное из топлив — криогенная композиция жидкий кислород + жидкий водород.

В ракетах военного назначения и космических аппаратах, когда ДУ должна длительное время храниться в заправленном состоянии, применяют высококипящие стабильные топлива. Среди них широко используются топлива с азотным тетроксидом игорючими гидразинового ряда (гидразин, монометилгидразин, НДМГ). Горючие гидразинового ряда разлагаются при термическом воздействии или в присутствии катализатора с выделением тепла и могут выступать в качестве унитарного топлива. Например, гидразин при разложении не выделяет сажу и используется в двигателях малых тяг систем КА. В табл. 4.2 даны примеры некоторыхЖРД, использующих различные топлива.

Таблица 4.2

Окислитель	Горючее	Марка двигателя	Страна	Назначение
Фтор	Аммиак	РД-301	СССР	Верхние ступени РН
	Этиловый спирт	-	Германия	«Фау-2», РН А-4
		РД-100	СССР	РН Р-1
	Керосин	РД-107	СССР	РНР-7, 1-я ступень РН «Восток»
		РД-108	СССР	РН Р-7, 2-я ступень РН «Восток»
		F-1	США	1-я ступень РН «Сатурн-Y»
		Н-1	США	1-я ступень РН «Сатурн IВ»
		НК-33	СССР	РН Н-1
		РД-170	СССР	1-я ступень РН «Энергия»
Кислород	НДМГ	РД-119	СССР	2-я ступень РН «Космос»
	Аммиак		США	Экспериментальный самолет Х-15
	Водород	J-2	США	2-я и 3-я ступень ракеты «Сатурн-Y» ракет «Сатурн|-Y» и «Сатурн-IB»
		RL-10	США	2-я ступень Р|Н «Атлас-Центавр»
		НМ-60	Франция	РН «Ариан-5»
		SSME	США	Двигатель ОС «Спейс-Шаттл»
		LE-5	Япония	2-я ступень РН Н-1
		РД-0120	СССР	2-я ступень РН «Энергия»
Азотная кислота + окислы азота	Продукты пере-работки керосина Керосин	РД-214 РД-216 РД-219	СССР СССР СССР	1-я ступень РН «Космос» 1-я ступень РН «Космос» 2-я ступень РН «Космос»
АТ	НДМГ     ММГ Аэрозин-50	РД-253 Викинг-5 Викинг-4 RS-18 LR87-AJ-5 LR91-AJ-5	СССР Франция Франция США США США	1-я ступень РН «Протон» 1-я ступень РН «Ариан» 2-я ступень РН «Ариан» ЖРД спутника Взлетный двигатель лунного модуля КК «Аполлон»
(85-87%) пере- кись водорода	Керосин	Гамма-304	Англия	РН «Блэк-Найт»

3. Осваиваемые и исследуемые топлива. Поиски, освоение и внедрение все более эффективных топлив - одно из основных направлений развития ракетного двигателестроения. Однако высокоэффективные компоненты топлива и их продукты сгорания часто оказываются весьма токсичными и представляют большую опасность для окружающей среды. Например, наиболее эффективным из из­вестных топлив считают топливо F₂+Н₂. Наряду с большим значением удельного импульса это топливо имеет и сравнительно высокую плотность из-за высокой плотности жидкого фтора и его большого содержания в топливе при оптимальном соотношении компонентов. Опыт создания в России в середине 70-х годов двигателя РД-301 на фторе с аммиаком свидетельствует о возможности успешного решения многих проблем при создании фторных двигателей, однако токсичность фтора и продуктов сгорания препятствует применению таких двигателей. В литературе приведены многочисленные примеры исследуемых эффективных по удельному импульсу и плотности окислителей и горючих, не нашедших применения на данном этапе развития ракетной техники, в том числе и из-за экологических ограничений.

В связи с этим на первый план выдвигается задача совершенствования свойств безопасных компонентов топлива, прежде всего горючих. Низкая плотность и низкая температура кипения жидкого водорода затрудняют его использование для продолжительных космических полетов. Переход на шугообразный водород позволяет повысить плотность и увеличить хладоемкость, а, следовательно, увеличить время хранения водорода.

Среди углеводородных горючих значительное внимание уделяется низкомолекулярным сжиженным углеводородам: метану СН₄, этану С₂Н₆, пропану С₄Н₈. Эти углеводороды доступны, имеют низкую стоимость, могут храниться в условиях космического пространства, обладают сравнительно высокими значениями удельного импульса при использовании их с жидким кислородом. Как уже отмечалось, жидкий метан является еще и хорошим охладителем. Он может быть нагрет в рубашке охлаждения ЖРД до 1000 К. Повысить плотность метана возможно при использовании его в шугообразном состоянии. Разработана технология получения синтетических углеводородных горючих, представляющих собой индивидуальные углеводороды или смесь нескольких углеводородов с заданными эксплуатационными свойствами.

Ограниченность энергетических характеристик химических топлив, являющихся одновременно и носителями энергии и источником рабочего вещества, обусловлена сравнительно малыми значениями энергии химических связей и достаточно высокой молекулярной массой образующихся продуктов сгорания. Принципиальная возможность улучшения энергетических характеристик заключается, в частности, в применении трехкомпонентных топлив. Одним из компонентов должно быть высокоэнергетичное вещество (горючее), которое сгорая в окислителе, используется для нагрева легкого третьего вещества (разбавителя) лучше всего - водорода. Водород, обладая среди применяемых в ракетных топливах химических элементов минимальной молекулярной массой, может обеспечить наиболее высокий удельный импульс.

Среди высокоэнергетических горючих внимание привлекают металлы Ве, Li, Аl и их гидриды. При горении этих металлов в кислороде и фторе на единицу массы продуктов сгорания (окислов и фторидов) выделяется больше теплоты, чем, например, при горении водорода. Указанные металлы имеют еще и довольно высокую плотность. Результаты расчетов показывают, что наибольшее повышение удельного импульса дает введение бериллия в топливо О₂+Н₂ и лития в топливо F₂+Н_{2 .} Оптимальным соотношением всех компонентов является примерно такое, когда весь окислитель расходуется на стехиометрическое окисление металла, а водород добавляется для достижения максимального удельного импульса.

Из гидридов металлов особый интерес представляют гидриды бериллия (ВеН₂) и алюминия (АlН₃). Плотность этих веществ довольно высока и равна 630 и 1480 кг/м³, соответственно. Теоретический удельный импульс в пустоте топлива Н₂О₂+ВеН₂ при соотношении компонентов k_m = 1,511, давлении в камере сгорания р_к = 15 МПа и степени расширения газов ε = р_к/р_а = 3000 составляет 4800 м/с, т.е. близок к удельному импульсу топлива F₂+Н₂. Это наиболее высокая энергетическая характеристика для высококипящих топлив, горючее и окислитель которых являются индивидуальными веществами.

Высокая теоретическая эффективность металлосодержащих топлив стимулирует поиск решения вопросов их практического использования. Одной из важных проблем является проблема хранения и подачи металла в камеру сгорания, регенеративного ее охлаждения, особенно при использовании фторных топлив, поскольку фтор абсолютно непригоден для целей охлаждения. Важным также является поиск путей реализации высокого импульса в связи с потерями из-за неравновесного течения двухфазной смеси в сопле, а также связанными с защитой камеры от воздействия конденсированных частиц.

Некоторые эксплуатационные характеристики компонентов ЖРД приведены в таблице 4.3, а стоимости основных компонентов ЖРД в сопоставимых ценах 1980 г. приведены в таблице 4.4.

Таблица 4.3

Компонент топлива	Ткип, К	Тпл, К	ПДК, мг/л	ρ, кг/м^3	Коррозионная активность	Взрывоопас-ность	Пожаро-опасность
F2	85,02	53,6	5·10^-3		Очень активен	Очень опасен	Опасен
O2	90,2	54,5	-		-	Относительно безопасен	Опасен
N2O4			1,8·10^-3		Очень активен	Безопасен	Относительно безопасен
HNO3	359,2		5·10^-3		То же	Безопасен
H2O2(100%)		272,6	-		Активна	Относительно безопасен	Относительно безопасен
ClF3			0,4·10^-3		Очень высока	Опасен	Опасен
H2			-	70,7	-	Опасен	Опасен
Керосин Т-1			0,3		-	Опасен	Опасен
(CH3)2N2H2 (НДМГ)			0,5·10^-3		Слабая	Опасен	Опасен
N2H4 (гидразин)	385,6		1·10^-3		Слабая	Каталитически опасен	Опасен
CH3N2H3			0,35·10^-3		Слабая	Опасен	Опасен
А-50			0,35·10^-3		Слабая	Опасен	Опасен
В5Н9	331,6	226,6	0,01·10^-3		Слабо активен	Очень опасен	Очень опасен
СН4			-			Относительно безопасен	Опасен

Примечание. ПДК – предельно допустимая концентрация вещества в воздухе.

Таблица 4.4

Компонент топлива	Стоимость, долл/т
Жидкий кислород
Углеводородное горючее RP-1
Жидкий водород	1100 )
Углеводородное горючее RJ-5
Гидразин
Монометилгидразин

) 1 кг жидкого водорода, полученного электролизом воды, составляет 10 … 15 $ в современных ценах.

4. Особенности криогенных компонентов топлива. Криогенными (ГОСТ 17655—80) компонентами принято называть жидкости, критическая температура которых меньше максимальной температуры в условиях эксплуатации или хранения. При эксплуатации криогенных компонентов в не теплоизолированных системах возникает тепловой поток из окружающей среды к жидкости, который вызывает прогрев и испарение компонента. Введение же теплоизоляции существенно усложняет систему подачи ЖРТ.

Из всех возможных криогенных ЖРТ наибольшее распространение получили два компонента: жидкий кислород и жидкий водород. Их низкие температуры кипения приводят к большим сложностям в системах подачи при заправке, хранении и транспортировке компонентов.

В результате притока теплового потока из окружающей среды криогенный компонент прогревается и испаряется, увеличивая давление в полости над поверхностью раздела. Если паровая область имеет дренаж и компонент находится при температуре кипения, то все подведенное тепло идет на испарение.

Для снижения потерь компонента на испарение используются тепло-изолированные стационарные, транспортные и летные емкости. В качестве теплоизоляции могут использоваться пористые материалы (пенополиуретан, пенополистирол и др.), высоковакуумная, вакуумно-порошковая и экранно-вакуумная тепловая изоляция (ЭВТИ).

В стационарных, а также больших транспортных емкостях суточные потери для кислорода составляют примерно 0,3 %, для водорода — 0,5 %. При выборе оптимальной толщины теплоизоляции для стационарных хра­нилищ потери могут быть снижены приблизительно до 0,1 %.

Для использования жидкого кислорода в одноразовых ракетах-носителях обычно применяются не теплоизолированные баки. На стартовой позиции в процессе заправки и стоянки влага воздуха конденсируется на внешней поверхности бака, образуя "шубу" из рыхлого инея. Эта своеобразная теплоизоляция снижает приток тепла к жидкому кислороду во время стоянки. В полете "шуба" отделяется под напором набегающего воздуха и под воздействием аэродинамического теплового потока начинается интенсивное расслоение кислорода.

Жидкий водород в ЖРДУ хранится в теплоизолированных баках даже применительно к одноразовым ракетам-носителям, так как потери водорода на испарение в результате притока тепла из окружающей среды через стенки не теплоизолированного бака превосходят массу потребной тепло­изоляции.

Большие сложности вызывает заправка баков криогенными компонентами, так как захолаживание конструкции осуществляется вследствие фазового перехода части жидкости в паровую фазу. Так называемые потери компонента на захолаживание конструкции значительны и должны учиты­ваться при заправке. Для снижения этих потерь целесообразно использовать не только теплоту фазового перехода, но и хладоемкость холодного пара.

Системой подачи криогенных компонентов топлива должно быть предусмотрено захолаживание не только бака, но и подводящего трубопровода, ТНА, чтобы была обеспечена бескавитационная работа центробежных насосов в период запуска двигателя. Для этого необходимо предусмотреть соответствующие дренажи для выхода паров компонента, а также необходимый запас жидкости на захолаживание.

Важной особенностью системы подачи криогенной жидкости являются обязательные меры для компенсации температурных деформаций трубопроводов при захолаживании. При использовании алюминиевых сплавов с коэффициентом линейного расширения α =1,8·10^-5 К^-1 изменение длины трубопровода составляет для кислорода 3,7·10^-3 м/м и для водорода — 4,9·10^-3 м/м, что требует соответствующей компенсации. Следует также отметить необходимость удаления из системы конденсирующихся и взрывоопасных газов, которые в условиях низких температур могут замерзнуть и перекрыть или нарушить целостность фильтров, клапанов и агрегатов управления, а также создать взрывоопасные смеси с основным криогенным компонентом. Удаление конденсирующихся и взрывоопасных примесей из разветвленной системы подачи компонентов ЖРДУ осуществляется методом вакуумирования, а также продувки нейтральным газом.

Учитывая повышенную взрывоопасность кислорода при контакте с маслами органического происхождения, необходимо тщательно обезжиривать внутренние поверхности перед заполнением. Чаще всего обезжиривание осуществляется органическими растворителями типа четыреххлористого углерода (СCl₄) или специальными водными растворами поверхностно-активных веществ и электролитов. После обезжиривания продувкой удаляют пары растворителя.

При эксплуатации системы подачи водорода необходимо помимо общих требований к криогенным системам учесть взрыво- и пожароопасность смеси паров водорода с кислородом воздуха. Для этой цели предусматриваются дренажи, которые отводят водородные пары для сжигания.

Для снижения потерь жидкого водорода при подготовке ЛА к полету, а также для повышения его эффективности было предложено использовать водородную шугу - смесь кристаллов и жидкости. Применение водородной шуги не только снижает потери жидкого компонента при хранении, но и значительно повышает плотность горючего (на 8…10%). Наиболее простым способом получения шуги является периодическое вакуумирование парового пространства бака с жидким водородом. Шуга с 40 - 50 % -ной концентрацией твердой фазы хорошо подается по трубам обычным центробежным насосом.

Дата добавления: 2013-12-13