ОКУ : Основы ЖРД. Рабочие тела. Часть II (кусок 1)
Serge S.Fakas
Я прошу прощения за разрыв между первой частью и второй. К сожалению болезнь
выбила меня из строя на неделю :(. За эту же неделю все обсуждение по первой
части проехало увы мимо меня.
Итак продолжим
Горючие
В отличие от окислителей их можно разбить на несколько груп.
Углеводородные горючие
Это группа углеводородов.
Керосин
Условная формула C7,2107H13,2936
Молекулярный вес -- 100 (усл.)
Плотность -- 834,7 кг/м^3
Температура кипения -- 423-588 К
Небольшие комментарии по характеристикам. Т.к. керосин является на самом
деле смесью из различных углеводородов, то появляются страшные дроби :) в
хим формуле и "размазанная" температура кипения.
Удобное высококипящее горючее. Используется довано и успешно в советских
двигателях. Первое "космическое топливо" :) -- именно на нем до сих пор
летают "Союзы". Малотоксичен (скорее в нем утонуть можно :) ), стабилен.
Сравнительно недорог, освоен в производстве. С моей точи зрения пара
керосин-кислород идеальна для первой ступени. Ее удельный импульс на земле
3283 м/с, пустотный 3475 м/с.
Недостатки. Плотность могла бы быть и повыше :). Именно с целью повышения
плотности были разработаны синтин (СССР) и RJ-5 (США). Имеет склонность к
отложению смолистых осадков в магистралях и тракте охлаждения, что в
последнем случае не лучшим образом сказывается на охлаждении. Удельный
импульс мог бы быть и повыше.
Керосиновые двигатели наиболее освоены в СССР.
Надо отметить, что в последнее время более актуальным названием для горючих
на основе керосина становится УВГ -- "углеводородное горючее", т.к. от
керосина, который жгли наши бабушки в лампах он ушел весьма далеко :).
Низкомолекулярные углеводороды
Метан
CH4
Молекулярный вес -- 16,043
Плотность -- 420 кг/м^3
Температура кипения -- 112 К
Рассматривается как перспективное топливо, в особенности в последнее время,
как альтрнатива керосину и водороду (в соответствующих случаях есс-но :) ).
Недорог, распостранен, устойчив, малотоксичен. По сравнению с водородом
имеет более высокую температуру кипения, а удельный импульс в паре с
кислородом выше, чем у керосина : ок. 3234 м/с в пустоте и ок. 3500 м/с на
земле. Неплохой охладитель.
Недостатки. Низкая плотность (вдвое ниже чем у керосина). При некоторых
режимах горения может разлагатся с выделением углерода в твердой фазе, что
может привести к падению импульса и резкому ухудшению режима охлаждения в
камере.
С моей (и не только) точки зрения это наиболее перспективное горючее (ваш
покорный слуга на дипломе делал ЖРД первой ступени тягой в 250 тс на паре
кислород-метан :) ). В последнее время идут НИОКР в области его применения
(наряду с пропаном и природным газом) даже в направлении модификации уже
сущ. ЖРД (в частности такие работы были проведены над РД-0120).
К этой же группе можно отнести пропан и природный газ. Основные их
характеристики близки (за исключением большей плотности и более высокой
температуры кипения), как и проблемы ихх использования.
Особняком среди горючих стоит --
Водород
H2 (LH2 -- американское обозначение).
Молекулярный вес -- 2,016
Плотность -- 71 кг/м^3
Температура кипения -- 20,46 К
Использование пары LOX-LH2 предложено еще Циолковским.
С точки зрения термодинамики идеальное рабочее тело как для самого ЖРД, так
и для турбины ТНА, при чем в последнем случае даже не обязательно высокой
температуры :). Отличный охладитель, при чем как в жидком, так и в
газообразном состоянии. Последний факт позволяет не особо бояться кипения
водорода в тракте охлаждения и использовать газифицированный таким образом
водород для привода турбины. (Такая схема реализована в RL-10 -- лапушка а
не движек). Высокий
удельный импульс -- в паре с кислородом 3840 м/с. (Из _реально_ используемых
это самый высокий показатель). Эти факторы обуславливают пристальный интерес
к этому горючему. Экологически чист в паре с экологически чистыми
окислителями :). Распостранен, практически неограниченные запасы. Освоен в
производстве. Нетоксичен.
Однако есть очень много ложек дегтя.
1. Чрезвычайно низкая плотность. Все видели огромные водородные баки Энергии
и Шаттла. Из-за низкой плотности применим на верхних ступенях РН. Кроме того
низкая плотность ставит непростую задачу для насосов -- как правило насосы
водорода многоступенчатые для того что бы обеспечить нужный массовый расход
и при этом не кавитировать. По этой же причине приходится ставить т.н.
бустерные насосы сразу за заборным устройством в баках дабы облегчить жизнь
основному ТНА. Насосы водорода для оптимальных режимов требуют также очень
высокой частоты вращения.
2. Низкая температура. Перед заправкой необходимо проводить многчасовое
захолаживание баков и всего тракта. Я, кстати, видел результаты цифрового
моделирования подачи водорода в "теплый" бак. Весьма мучительное занятие --
он то начинает заполнять, то испаряется и выталкивает все обратно. Также
низкая темпрература кипения затрудняет хранение.
3. Жидкий водород обладает нек-ми свойствами газа -- жидкость _сжимаема_.
Это накладывает дополнительные трудности в проектировании магистралей,
циклограммы работы, и особенно насосов.
4. Из-за своего малого молекулярного веса очень проницаем. Это означает, что
герметизировать полости с водородом довольно трудно. Ну что, скажете вы,
неразьемные соединения можно загерметизировать. Но дело даже не в
соединениях трубопроводов. Проблема в том, что на ТНА все щели не замажешь
герметиком -- там применяются неконтактные уплотнения, особенно на
высокооборотных ТНА. И тут эта проблема в купе с огнеопасностью смеси с
кислородом встает довольно остро.
5. Большинство металлов имеют свойство поглощать водород -- т.н. процесс
наводораживания. При этом металл охрупчается, т.е. его св-ва как КМ
ухудшаются (а тут еще и низкая температура). Поэтому зачастую поверхности,
контактирующие с водородом защищают покрытием, как правило серебром. Это
естественно не лучшим образом сказывается на технологичности и стоимости
двигателя.
6. Пожароопастность и взрывоопасность. No comments.
Т.о. водород и привлекателен, и неприятен :). Конструкторам хочется выжать
из него все -- использовать и как рабочее тело турбины, и как охладитель,
поэтому
как правило конструкции водородников получаются довольно монстроидальными
(позже у вас будет возможность сравнить простоту РД-253 и "сумашедший дом"
:) в лице SSME ). Наиболее освоены водородные двигатели в США.
[cutted ]