Возможности применения природного горючего в ракетных двигателях

Секция ««ДВИГАТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И СИСТЕМЫ ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯЛА И КА»

УДК 629.78

К. В. Максименко Научный руководитель - В. П. Назаров Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГОРЮЧЕГО В РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЯХ

Рассмотрены перспективы применения сжиженный природный газ как горючего для ЖРД который в будущем заменит собой химические виды горючих. Природный газ является экологически чистым углеводородным топливом, широко распространенным на Земле и на других планетах Солнечной системы.

Расширение сферы освоения космического пространства предполагает в перспективе рост количества запускаемых искусственных спутников Земли. Становится необходимым использование ракет, не наносящих ущерба экологии околоземного пространства. Существующие ракеты-носители (РН) по тем или иным причинам не удовлетворяют указанным требованиям. Таким образом, очевидна необходимость разработки программы создания ряда перспективных ракет-носителей, ключевым звеном которой являются использование жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) на экологически чистых видах топлива, к которым следует отнести сжиженный природный газ метан. Жидкий метан, можно хранить при температурах (-161,6 о С). Это означает, что баки с метаном не требуют мощной теплоизоляции, т. е. становятся легче и дешевле. Кроме того, баки могут быть меньше в размерах, так как жидкий метан плотнее жидкого водорода, что также может сэкономить много средств для запуска ракеты в космос. А еще метан безопасен для человека и экологически чист, в противоположность некоторым видам токсичного ракетного топлива, применяемым сейчас в космических аппаратах. По мнению отечественных специалистов, использование сжиженного природного газа (метана) позволяет:

- обеспечить безопасность окружающей среды даже при аварийном сливе компонентов топлива;

- повысить удельный импульс тяги и улучшить энерго-массовые характеристики РН;

- повысить эффективность охлаждения камеры сгорания;

- упростить межпусковую обработку топливных трактов;

- снизить стоимость горючего;

- обеспечить длительность использования сырьевой базы при наличии больших природных запасов горючего;

- обеспечить доступность природного газа для любых национальных программ;

- облегчить создание двигателя любой принципиальной схемы (с окислительным или восстановительным газогенератором);

- использовать материалы, технологии и оборудование, присущие криогенной технике. НПО Энергетического машиностроения имени академика В.П.Глушко (НПО «Энергомаш») разрабатывает целое семейство двигателей (РД-169, РД-182, РД-183, РД-190, РД-192) на топливе «жидкий кислород - при-

родный газ». Разработчики избрали путь модификации уже имеющихся (т. е. разработанных или проектируемых) кислородно-керосиновых ЖРД. Все двигатели строятся по замкнутой схеме (за исключением, возможно, РД-183). НПО «Энергомаш» использует свой опыт разработки двигателей с окислительным ГГ, в котором сжигается газ с избытком кислорода. По энергомассовым показателям ракеты с двигателями на жидком кислороде и жидком метане имеют преимущество: они способны при одинаковой стартовой массе вывести на орбиту больший груз; по стоимости метан выгоден: сжиженный природный газ (СПГ) сейчас дешевле керосина (по крайней мере, на российском рынке); если сравнивать двигатели обоих типов по технологичности (производство, транспортировка, хранение, операции на стартовой позиции и т. д.), то отдать предпочтение какому-либо одному из них достаточно трудно. У СПГ в этом смысле есть как достоинства (он не ядовит, коррозионно пассивен, при сгорании дает экологически чистые газообразные продукты), так и недостатки (низкая температура кипения, что предъявляет особые требования при хранении и транспортировке; смесь воздуха и газообразного метана взрывоопасна). В России работы по метановым двигателям не прекращались все последние десятилетия. В итоге достигнут известный задел, который может обеспечить нашей стране конкурентные преимущества на космическом рынке ХХ1 века. Жидкостные реактивные двигатели на природном газе и метане разрабатывают Исследовательский центр имени Келдыша, НПО «Энергомаш», КБ «Химмаш». Преимущество метановых ЖРД перед обычными «керосиновыми» двигателями не слишком велико, тогда как «водородные» имеют куда более высокие характеристики. Большим недостатком метана в роли горючего для ракетных двигателей является то, что окислитель, смешанный с метаном, довольно трудно поджечь - температура его самовоспламенения 580 оС. Воспламенение в водородно-кислородных смесях происходит при более низких температурах. Промышленность освоила получение сжиженного природного газа и метана в необходимых количествах, благодаря чему по стоимости он сопоставим с керосином, а для регионов, богатых нефтью (к которым относится и Россия), даже дешевле. Таким образом, для многоразовых носителей метановое топливо выгодно и из-за своей относительно малой удельной стоимости. Кроме того, в отличие от керосина (и его современных токсичных синтетических производных

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

типа «синтина»), пятна пролива жидкого природного газа быстро испаряются, не нанося вреда окружающей среде. Если сравнивать двигатели обоих типов по технологичности (производство, транспортировка, хранение, операции на стартовой позиции и т. д.), то отдать предпочтение какому-либо одному из них достаточно трудно у «метановых» в этом смысле есть как достоинства (он не ядовит, коррозионно пассивен, при сгорании дает экологически чистые газообразные продукты), так и недостатки (низкая температура кипения, что предъявляет особые требования при хра-

нении и транспортировке; смесь воздуха и газообразного метана взрывоопасна).

Таким образом перед разработчиками ЖРД стоит довольно трудная задача определения баланса между оптимальными характеристиками и стоимостью метановых двигателей. Тем не менее, можно предполагать, что создание ЖРД на метане выйдет из стадии экспериментов.

© Максименко К. В., Назаров В. П., 2011

УДК 629.19

П. С. Наговицын Научный руководитель - К. Ф. Голиковская Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ОБЗОР ТРЕБОВАНИЙ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫХ К СИСТЕМАМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Предлагается обзор существующих требований, предъявляемых к системам обеспечения теплового режима космических аппаратов.

Обеспечение жизнедеятельности экипажа в длительном космическом полете - одна из важнейших проблем космонавтики. Решение этой комплексной задачи требует больших усилий и тесного сотрудничества биологов, медиков и инженеров различных специальностей. В общей системе обеспечения жизнедеятельности. (СОЖ), создающей и поддерживающей в замкнутых объемах герметических кабин необходимые для жизни и работы человека или установленных приборов условия, одной из наиболее сложных является система обеспечения теплового режима (СОТР). В ее задачу входит формирование заданного теплового режима космического корабля с учетом его взаимосвязи с экипажем, приборным отсеком и окружающей средой в условиях комплексного воздействия экстремальных факторов. Для эффективного решения этой задачи требуется развитие новых подходов к разработке, проектированию, исследованию и испытанию СОТР [1].

За относительно небольшой период системы обеспечения теплового режима КА из простейших технических устройств, обеспечивающих тепловой режим отдельных агрегатов, превратились в сложный многозвенный и многосвязный комплекс функциональных подсистем, призванных поддерживать необходимые тепловые условия для жизнедеятельности и работы экипажа, функционирования оборудования, приборов и элементов конструкции [2].

К системам обеспечения теплового режима, как и к другим штатным системам КА, предъявляются вполне определенные требования, которые можно подразделить на общие и специальные.

Общие требования к системам включают в себя: надежность в работе, минимальные масса и габариты, минимальное энергопотребление, безопасность в работе, небольшая стоимость изготовления, ремонтопригодность, возможно большая унификация элементов.

Специальные требования: функциональные, физико-технические, эксплуатационные. Каждое из перечисленных требований заключаются в том, что система должна отвечать своему назначению. Удовлетворить при проектировании системы все перечисленные требования не представляется возможным. Поэтому в зависимости от цели функционирования системы, задач полета, особенностей оборудования, энергетических установок, окружающих условий и т. п. принимаются соответствующие компромиссные решения.

Библиографические ссылки

1. Малоземов В. В. Тепловой режим космических аппаратов. М. : Машиностроение, 1980.

2. Руководство для конструкторов по обеспечению тепловых режимов / под ред. Н. А. Анфимова. М. : ЦНИИМАШ, 1988.

© Наговицын П. С., Голиковская К. Ф., 2011