Что такое криогенный ракетный двигатель

Поговорим о водородных двигателях для авиации (часть третья) Криогенный двигатель, НК-88, НК-89

Продолжаем разбирать статью о «Криогенной авиации»

Уважаемые читатели, моя раса рептилий тут не причем. Давайте не будем строить конспирологию, а поговорим о некоторых технических деталях. Все ниже изложенное опирается на открытые источники. Хотя я и работаю на государство в каком-то смысле, никаких секретов тут нет, итак поехали..

«Другими словами, требуется водородный двигатель, который позволит создать «криогенную авиацию». Реализация этой задачи позволит России совершить прорыв с истребителем шестого поколения.»

Данный фрагмент статьи мы начинали разбирать в предыдущей части статьи.

Так что же это такое, загадочный «водородный двигатель»? Для начала нужно разобраться в этимологии самого термина. «Двигатель» — тут понятно, штука которая в общем виде перегоняет какую-либо энергию в полезную механическую работу. Уже ставший каноническим авиационный ТРД сжигает керосин, вращается турбина которая приводит компрессор, на выходе имеем реактивную струю, толкаемся летим все замечательно. В предыдущей части статьи на пальцах изложены схемы и принципы работы. «Водородный» — тут немного сложнее, что понимается под термином водородный? Вроде из водорода он не делается (как металлическая сковорода). Рабочее тело водород тоже на подходит, в авиадвигателях рабочее тело атмосфера (там водород есть, но он уже в связи с кислородом или немного совсем немного в свободном виде). Жидким водородом там тоже ничего не вращают, так как температура при которой чистый водород жидкий крайне низки, около нуля по кельвину (об этом позже). А вот горит и взрывается водород очень хорошо, значит будем использовать как топливо. Под термином «водородный двигатель» будем понимать авиадвигатель сжигающий в своих камерах сгорания водородное топливо (если еще придумали какие-то варианты пишите в комментариях).

О теплотворной способности топлива. Теплотворная способность топлива характеризует количество теплоты, выделяемое при полном сгорании топлива массой 1 кг или объёмом 1 м³ (1 л). Наиболее часто теплотворная способность измеряется в Дж/кг (Дж/м³; Дж/л).

Как видно из приведенной таблицы разных видов топлива, хорошо видно преимущество водорода над остальными горючими веществами. Собственно такой отрыв по удельной теплоте сгорания и побудил ученых и инженеров броситься во все тяжкие с водородными двигателями и энергетикой. Например есть по этой тематике хорошая отечественная книжка.

Разберем термин «криогенная авиация», тут все просто. «Авиация» оставим без комментариев. «Криогенная» — значит используются виды топлива хранящиеся при низких температурах, значительно ниже нуля по Цельсию.

В данном направлении работало множество научных заведений АН СССР, как и КБ. Кто то исследовал свойства при сжигании, кто-то хранение, кто-то производство жидкого водорода в больших объемах и т.д. все есть в книжке по ссылке. Остановимся собственно на конструкторском бюро, пионерах «криогенной авиации», Самарское СНТК Кузнецова (двигатель), Московское Туполева (самолет).

В СНТК Кузнецова на основе обычной рабочей лошадки серии НК-8 для советского ТУ-154, был собран криогенный НК-88 который испытывали на летной лаборатории ТУ-155л (модификация ТУ-154 с центральным двигателем НК-88 вместо обычного) топливо жидкий водород 1988 г и НК-89 топливо СПГ 1989 г. (сжиженный природный газ, испытывали вроде тоже на ТУ-155л, но не помню уже точно).

Стоит отметить, что данная программа разрабатывалась параллельно с созданием комплекса «Энергия-Буран», там кстати и брали жидкий водород для этого самолета. Чтобы создать полноценную криогенную авиацию потребуется сделать производства топлива, сжижающие заводы, транспортировать как-то к аэродрому, заправлять, держать топливо на долгом хранении и т.д.

О нюансах. Работает так в двух словах: баки заправляются при сверхнизких температурах и потом она поддерживается, в процессе хранения в баке на борту осуществляется продувка фюзеляжа во избежание повышения концентрации паров водорода (испарение через корпус бака порядка 2% от объема в сутки, вся информация из открытого доступа), жидкий водород поступает в теплообменник перед камерой сгорания для перехода в газообразное состояние (в проточной части двигателя например, можно охладить где-то рабочее тело для повышения КПД цикла по теплу, под рабочим телом стандартная атмосфера понимается) затем в газообразном виде в камеру сгорания, вот собственно и все секреты.

Какие сложности по водороду, которые пока не решены с точки зрения стоимости и безопасности: хранение топлива при низких температурах (вспоминаем порядковый номер водорода и номера хим. элементов из которых баки делают, если добьетесь плотности кристаллической решетки с ячейкой достаточной для удержания водорода, то не вопрос), в том числе заправка и получение собственно топлива в больших объемах, испаряя и сжигая получается крайне опасная эксплуатация, но это возможно, но очень осторожно. С СПГ проблем меньше, но теплотворка близка к керосину. Наверное самый жирный плюс на данный момент по водородным ГТД это только экология, в результате горения получаем пары воды.

Читайте также:  Какие дизельные двигатели ставят на ниссан икстрейл

Если топливо сжигать не в ТРД то это уже ракетный двигатель на топливной паре, что давно уже известно и нет там секретов никаких.

Шестое поколение боевой авиации возможно появится не скоро, особенно на водородном двигателе, это мое личное мнение (в комментариях можете аргументированно поправить). Другими словами помимо колоссальных затрат на создание и испытание самой техники, нужно разрабатывать и создавать целую инфраструктуру вспомогательную, зачатки которой к сожалению погубил развал СССР.

Не надо мифицировать слово криогенный и строить теории заговоров и рептилоидов, особенно про супер секреты.

Источник

Виды ракетного топлива военного назначения

Исторический экскурс

Исторически первым ракетным топливом послужил дымный порох, состоящий из смеси селитры (окислителя), древесного угля (горючего) и серы (связующего), который впервые был использован в китайских ракетах во 2 веке н.э. Боеприпасы с ракетным двигателем твердого топлива (РДТТ) применялись в военном деле как зажигательное и сигнальное средство.

После изобретения в конце XIX века бездымного пороха на его основе было разработано однокомпонентное баллиститное топливо, состоящее из твердого раствора нитроцеллюлозы (горючего) в нитроглицерине (окислителе). Баллиститное топливо обладает кратно большей энергетикой по сравнению с дымным порохом, имеет высокую механическую прочность, хорошо формуется, длительно сохраняет химическую стабильность при хранении, обладает низкой себестоимостью. Эти качества предопределили широкое использование баллиститного топлива в наиболее массовых боеприпасах, оснащенных РДТТ – реактивных снарядах и гранатах.

Развитие в первой половине ХХ века таких научных дисциплин, как газодинамика, физика горения и химия высокоэнергетических соединений позволило расширить состав ракетных топлив за счет применения жидких компонентов. Первая боевая ракета с жидкостным ракетным двигателем (ЖРД) «Фау-2» использовала криогенный окислитель – жидкий кислород и высококипящее горючее – этиловый спирт.

После Второй мировой войны ракетное оружие получило приоритет в развитии по сравнению с другими видами вооружения по причине своей способности доставлять к цели ядерные заряды на любое расстояние – от нескольких километров (реактивные системы) до межконтинентальной дальности (баллистические ракеты). Кроме того, ракетное оружие существенно потеснило артиллерийское в авиации, ПВО, сухопутных войсках и на флоте за счет отсутствия силы отдачи при пуске боеприпасов с ракетными двигателями.

Одновременно с баллиститным и жидким ракетным топливом развивались многокомпонентные смесевые твердые топлива, как наиболее приспособленные к применению в военных целях в связи с их широким температурным диапазоном эксплуатации, устранением опасности разлива компонентов, меньшей стоимости твердотопливных ракетных двигателей за счет отсутствия в их конструкции трубопроводов, клапанов и насосов, большей тягой на единицу веса.

Основные характеристики ракетных топлив

Кроме агрегатного состояния своих компонентов, ракетные топлива характеризуются следующими показателями:

— удельный импульс тяги;
— термическая стабильность;
— химическая стабильность;
— биологическая токсичность;
— плотность;
— дымность.

Удельный импульс тяги ракетных топлив зависит от давления и температуры в камере сгорания двигателя, а также молекулярного состава продуктов сгорания. Кроме того, удельный импульс зависит от степени расширения сопла двигателя, но это больше относится к внешней среде применения ракетной техники (воздушная атмосфера или космическое пространство).

Повышенное давление обеспечивается с помощью использования конструкционных материалов с высокой прочностью (стальных сплавов для ЖРД и органопластиков для РДТТ). В этом аспекте ЖРД опережают РДТТ по причине компактности своего двигательного агрегата по сравнению с корпусом твердотопливного двигателя, являющегося одной большой камерой сгорания.

Высокая температура продуктов сгорания достигается с помощью добавления в твердое топливо металлического алюминия или химического соединения – гидрида алюминия. Жидкое топливо может использовать подобные добавки только в случае его загущения специальными добавками. Теплозащита ЖРД обеспечивается с помощью охлаждения топливом, теплозащита РДТТ – с помощью прочного скрепления топливной шашки со стенками двигателя и применения выгорающих вкладышей из углерод-углеродного композита в критическом сечении сопла.

Молекулярный состав продуктов сгорания/разложения топлива влияет на скорость истечения и их агрегатное состояние на срезе сопла. Чем меньше вес молекул, тем больше скорость истечения: наиболее предпочтительными продуктами сгорания являются молекулы воды, за ними следуют молекулы азота, углекислого газа, окислы хлора и других галогенов; наименее предпочтительным является окисел алюминия, который конденсируется в сопле двигателя до твердого состояния, снижая тем самым объем расширяющихся газов. Кроме того, фракция окисла алюминия вынуждает применять сопла конической формы из-за абразивного износа наиболее эффективных сопел Лаваля с параболической поверхностью.

Читайте также:  Провал в оборотах двигателя при холодном запуске шкода октавия

Для ракетных топлив военного назначения особое значение имеет их термическая стабильность в связи с широким температурным диапазоном эксплуатации ракетной техники. Поэтому криогенные жидкие топлива (кислород + керосин и кислород + водород) применялись только на начальном этапе развития межконтинентальных баллистических ракет (Р-7 и Titan), а также для ракет-носителей космических многоразовых аппаратов (Space Shuttle и «Энергия»), предназначенных для вывода спутников и космического оружия на околоземную орбиту.

В настоящее время в военной сфере применяется исключительно высококипящее жидкое топливо на основе тетраоксида азота (АТ, окислитель) и несимметричного диметилгидразина (НДМГ, горючее). Термическая стабильность этой топливной пары определяется температурой кипения АТ (+21°C), что ограничивает применение данного топлива ракетами, находящимися в термостатированных условиях ракетных шахт МБР и БРПЛ. В связи с агрессивностью компонентов технологией их производства и эксплуатации баков ракет владела/владеет только одна страна в мире — СССР/РФ (МБР «Воевода» и «Сармат», БРПЛ «Синева» и «Лайнер»). В порядке исключения АТ+НДМГ применяется в качестве топлива авиационных крылатых ракет Х-22 «Буря», но из-за проблем с наземной эксплуатацией Х-22 и их следующее поколение Х-32 планируется заменить крылатыми ракетами «Циркон» с реактивным двигателем, использующими керосин в качестве горючего.

Термическая стабильность твердых топлив в основном определяется соответствующим свойством растворителя и полимерного связующего. В составе баллиститных топлив растворителем является нитроглицерин, который в твердом растворе с нитроцеллюлозой имеет температурный диапазон эксплуатации от минус до плюс 50°C. В смесевых топливах в качестве полимерного связующего используются различные синтетические каучуки с тем же температурным диапазоном эксплуатации. Однако термическая стабильность основных компонентов твердого топлива (динитрамид аммония +97°C, гидрид алюминия +105°C, нитроцеллюлоза +160°C, перхлорат аммония и октоген +200°C) значительно превышает аналогичное свойство известных связующих, в связи с чем актуальным является поиск их новых составов.

Наиболее химически стабильной является топливная пара АТ+НДМГ, поскольку для неё разработана уникальная отечественная технология ампулизированного хранения в алюминиевых баках под небольшим избыточным давлением азота в течение практически неограниченного времени. Все твердые топлива со временем химически деградируют из-за самопроизвольного разложения полимеров и их технологических растворителей, после чего олигомеры вступают в химические реакции с другими, более стойкими компонентами топлива. Поэтому шашки РДТТ нуждаются в регулярной замене.

Биологически токсичным компонентом ракетных топлив является НДМГ, который поражает центральную нервную систему, слизистые оболочки глаз и пищеварительного тракта человека, провоцирует раковые заболевания. В связи с этим работа с НДМГ ведется в изолирующих костюмах химзащиты с применением автономных дыхательных аппаратов.

Величина плотности топлива прямо влияет на массу топливных баков ЖРД и корпуса РДТТ: чем больше плотность, тем меньше паразитная масса ракеты. Наименьшая плотность у топливной пары водород+кислород — 0,34 г/куб. см, у пары керосин+кислород плотность составляет 1,09 г/куб. см, АТ+НДМГ – 1,19 г/куб. см, нитроцеллюлоза+нитроглицерин – 1,62 г/куб. см, алюминий/гидрид алюминия + перхлорат/динитрамид аммония – 1,7 г/куб.см, октоген+перхлорат аммония – 1,9 г/куб. см. При этом надо учитывать, что у РДТТ осевого горения плотность топливного заряда примерно в два раза меньше плотности топлива из-за звездообразного сечения канала горения, применяемого с целью поддержания постоянного давления в камере сгорания вне зависимости от степени выгорания топлива. То же самое относится к баллиститным топливам, которые формируются в виде набора лент или шашек для сокращения времени горения и дистанции разгона реактивных снарядов и ракет. В отличии от них плотность топливного заряда в РДТТ торцевого горения на основе октогена совпадает с указанной для него максимальной плотностью.

Последним из основных характеристик ракетных топлив является дымность продуктов сгорания, визуально демаскирующих полет ракет и реактивных снарядов. Указанный признак присущ твердым топливам, содержащим в своем составе алюминий, окислы которого конденсируются до твердого состояния в процессе расширения в сопле ракетного двигателя. Поэтому указанные топлива применяются в РДТТ баллистических ракет, активный участок траектории которых находится вне зоны прямой видимости противника. Авиационные ракеты снаряжаются топливом на основе октогена и перхлората аммония, реактивные снаряды, гранаты и противотанковые ракеты – баллиститным топливом.

Энергетика ракетных топлив

Для сравнения энергетических возможностей различных видов ракетного топлива необходимо задать для них сопоставимые условия горения в виде давления в камере сгорания и степени расширения сопла ракетного двигателя – например, 150 атмосфер и 300-кратное расширение. Тогда для топливных пар/троек удельный импульс составит:

кислород+водород – 4,4 км/с;
кислород+керосин – 3,4 км/с;
АТ+НДМГ – 3,3 км/с;
динитрамид аммония + гидрид водорода + октоген – 3,2 км/с;
перхлорат аммония + алюминий + октоген – 3,1 км/с;
перхлорат аммония + октоген – 2,9 км/с;
нитроцеллюлоза + нитроглицерин – 2,5 км/с.

Читайте также:  Как определить модель двигателя фольксваген пассат

Твердое топливо на основе динитрамида аммония является отечественной разработкой конца 1980-х годов, применялось в качестве топлива второй и третьей ступеней ракет РТ-23 УТТХ и Р-39 и до сих пор не превзойдено по энергетическим характеристикам лучшими образцами зарубежного топлива на основе перхлората аммония, применяемыми в ракетах Minuteman-3 и Trident-2. Динитрамид аммония является взрывчатым веществом, детонирующим даже от светового излучения, поэтому его производство ведется в помещениях, освещаемых маломощными лампами красного света. Технологические сложности не позволили освоить процесс изготовления ракетного топлива на его основе нигде в мире, кроме как в СССР. Другое дело, что советская технология в плановом порядке была реализована только на Павлоградском химическом заводе, расположенном в Днепропетровской области УССР, и была потеряна в 1990-е годы после перепрофилирования завода на выпуск бытовой химии. Однако, судя по тактико-техническим характеристикам перспективных образцов вооружения типа РС-26 «Рубеж», технология была восстановлена в России в 2010-х годах.

В качестве примера высокоэффективной композиции можно привести состав твердого ракетного топлива из российского патента № 2241693, принадлежащего ФГУП «Пермский завод им. С.М. Кирова»:

окислитель – динитрамид аммония, 58%;
горючее – гидрид алюминия, 27%;
пластификатор – нитроизобутилтринитратглицерин, 11,25%;
связующее — полибутадиеннитрильный каучук, 2,25%;
отвердитель – сера, 1,49%;
стабилизатор горения — ультрадисперсный алюминий, 0,01%;
добавки – сажа, лецитин и т.д.

Перспективы развития ракетных топлив

Основными направлениями развития жидких ракетных топлив являются (в порядке очередности реализации):

— использование переохлажденного кислорода с целью увеличения плотности окислителя;
— переход к топливной паре кислород+метан, горючий компонент которой обладает на 15% большей энергетикой и в 6 раз лучшей теплоемкостью, чем керосин с учетом того, что алюминиевые баки при температуре жидкого метана упрочняются;
— добавление озона в состав кислорода на уровне 24% с целью повышения температуры кипения и энергетики окислителя (большая доля озона является взрывоопасной);
— использование тиксотропного (загущенного) топлива, компоненты которого содержат взвеси из пентаборана, пентафторида, металлов или их гидридов.

Переохлажденный кислород уже используется в ракете-носителе Falcon 9, ЖРД на топливной паре кислород+метан разрабатываются в России и США.

Главным направлением развития твердых ракетных топлив является переход на активные связующие, содержащие в составе своих молекул кислород, улучшающий окислительный баланс твердого топлива в целом. Современным отечественным образцом такого связующего является полимерный состав «Ника-М», включающий циклические группы из двуокиси динитрила и бутилендиола полиэфируретана, разработки ГосНИИ «Кристалл» (г. Дзержинск).

Другим перспективным направлением является расширение номенклатуры используемых нитраминных взрывчатых веществ, обладающих большим кислородным балансом по сравнению с октогеном (минус 22%). В первую очередь это гексанитрогексаазаизовюрцитан (Cl-20, кислородный баланс минус 10%) и октанитрокубан (нулевой кислородный баланс), перспективы применения которых зависят от снижения стоимости их производства – в настоящее время Cl-20 на порядок дороже октогена, октонитрокубан на порядок дороже Cl-20.

Кроме совершенствования известных типов компонентов, исследования также ведутся в направлении создания полимерных соединений, молекулы которых состоят исключительно из атомов азота, соединенных между собой одинарными связями. В результате разложения полимерного соединения под действием нагрева азот образует простые молекулы из двух атомов, соединенных тройной связью. Выделяемая при этом энергия двукратно превышает энергию нитраминных ВВ. Впервые азотные соединения с алмазоподобной кристаллической решеткой были получены российскими и немецкими учеными в 2009 году в ходе экспериментов на совместной опытной установке под действием давления в 1 млн. атмосфер и температуры в 1725°C. В настоящее время ведутся работы по достижению метастабильного состояния азотных полимеров при обычных давлении и температуре.

Перспективными кислородсодержащими химическими соединениями являются высшие окислы азота. Известный оксид азота V (плоская молекула которого состоит из двух атомов азота и пяти атомов кислорода) не представляет практической ценности в виде компонента твердого топлива в связи с низкой температурой его плавления (32°C). Исследования в этом направлении ведутся путем поиска метода синтеза оксида азота VI (гексаоксид тетраазота), каркасная молекула которого имеет форму тетраэдра, в вершинах которого расположены четыре атома азота, связанных с шестью атомами кислорода, расположенными на ребрах тетраэдра. Полная замкнутость межатомных связей в молекуле оксида азота VI дает возможность прогнозировать для него повышенную термическую стабильность, сходную с уротропином. Кислородный баланс оксида азота VI (плюс 63%) позволяет существенно повысить удельный вес в составе твердого ракетного топлива таких высокоэнергетических компонентов, как металлы, гидриды металлов, нитрамины и углеводородные полимеры.

Источник