Горючее на основе водорода

Секция «Энергодвигательные установки и системы терморегулирования»

УДК 621.4.536.46

А. В. Веселов Научный руководитель - М. В. Краев Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ВОЗДОХОПЛАВАТЕЛЬНОГО ТРАНСПОРТА

Рассматривается перспективная энергетическая установка на солнечной энергии для летательных аппаратов, типа дирижабль. Установка обеспечивает энергией летательные аппараты из трех источников: солнечная батарея, электрохимический генератор и электрогенератор.

Важнейшей составной частью современного дирижабля является его энергетическая установка (ЭУ), которая, как правило, включает в себя двигатели, запасы рабочего тела (при коротком периоде работы) или преобразователи энергии окружающей среды, в первую очередь солнечного излучения, в электрическую энергию при длительной работе.

С целью повышения энергетики современных дирижаблей нового поколения полезно при их создании использовать разработки энергетической установки (ЭУ) с опытом, накопленным в области космических технологий и разработок ЭУ.

В работе рассматривается схемное решение энергоустановки, в состав которой входят: солнечная батарея соединена с электролизером и блоком управления, к которому подключены электрохимический генератор, электрогенератор и электрический привод винта. Электролизер и электрохимический генератор пневматически связаны с блоками хранения и подачи водорода и кислорода, а гидравлически с блоками хранения и подачи воды.

В период наземной подготовки энергоустановки высотного дирижабля блок хранения и подачи водорода заправляют газообразным водородом, а блок хранения и подачи кислорода газообразным кислородом максимально допустимого давления (напри-

мер, 30 МПа) при температуре -50 °С. В момент старта открываются клапаны подачи водорода (блок подачи водорода) и клапаны подачи кислорода (блок подачи кислорода). В результате этого водород и кислород попадают электрохимический генератор, где часть этих газов в результате их химического взаимодействия превращается в воду, которая направляется в блок хранения и подачи воды, а генерируемое электричество подается в блок управления. Часть водорода после выхода из электрохимического генератора поступает в камеру сгорания, где происходит горение водорода с кислородом, пришедшим из камеры смешивания, с образованием парогазовой смеси высокой температуры (около 1000 °С), используемой для вращения турбины на валу установлены компрессор и электрогенератор. Таким образом, блок управления, регулирующий подачу электроэнергии на электрический привод винта снабжается электричеством из трех источников: солнечная батарея, электрохимический генератор и электрогенератор.

Опыт создания перспективных воздухоплавательных летательных аппаратов определяется продолжительностью разработки энергоустановки.

© Веселов А. В., Краев М. В., 2010

УДК 621.453

Ю. Ю. Дюкарев Научный руководитель - К. Ф. Голиковская Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ГОРЮЧЕЕ НА ОСНОВЕ ВОДОРОДА

Предлагается обзор топлива на основе водорода, преимущества и недостатки, а также перспективы использования.

Наиболее эффективные ракеты работают на жидком топливе, потому что химическая энергия жидких компонентов больше, чем твердых, а продукты их сгорания имеют меньшую молекулярную массу.

В качестве горючего в паре с кислородом чаще всего используются тяжелые углеводороды или жидкий водород. Теплота сгорания углеводородного горючего на единицу объема, например, очищенно-

го керосина или спирта, выше, чем водорода. Углеводородное топливо горит ярким оранжевым пламенем. Основными продуктами сгорания смеси кислород/углеводород являются углекислый газ и пары воды. Удельный импульс такого топлива может достигать 350 с [1].

Жидкий водород требует более глубокого охлаждения, чем жидкий кислород, однако его теплота сго-

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Технические науки

рания на единицу массы выше, чем у углеводородных горючих. Водород горит почти невидимым голубым пламенем. Основным продуктом сгорания ки-слородо-водородной смеси является перегретый водяной пар. Удельный импульс двигателей на этом топливе может достигать от 450 до 480 с в зависимости от конструкции двигателя.

Не всегда легко сделать выбор между углеводородным горючим и жидким водородом. Обычно для первых ступеней ракет используют жидкое углеводородное (или смесевое твердое) топливо для прохождения плотных слоев атмосферы на первых минутах полета. Конечно, жидкий водород - очень эффективное горючее, однако из-за его малой плотности для первой ступени потребовались бы большие топливные баки, что привело бы к увеличению веса конструкции и лобового сопротивления ракеты. На больших высотах и в космосе чаще применяются водородные двигатели, где их преимущества проявляются в полной мере.

С точки зрения термодинамики жидкий водород -идеальное рабочее тело как для самого ЖРД, так и

для турбины ТНА, в последнем случае даже не обязательно высокой температуры. Отличный охладитель, 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.

Наиболее распространенными топливами на основе водорода на настоящий момент являются керосин и гидразины.

В области развития ракетных двигателей стоит еще много нерешенных задач конструкторского, технологического, эксплуатационного, экономического и экологического характера. Совершенствование методов оценки водородных топлив позволит решать практические вопросы создания и рационального применения ракетных и реактивных топ-лив.

Библиографическая ссылка

1. Тимнат И. Ракетные двигатели на химическом топливе. М. : Машиностроение, 1990.

© Дюкарев Ю. Ю., Голиковская К. Ф., 2010

УДК 621.039.577.679.78

И. Е. Емельянов Научный руководитель - М. В. Краев Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

РАКЕТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ НА МЕТАНЕ

Рассмотрены перспективы развития ракетных двигателей на метане.

Природный газ (и его составляющая метан) как горючее с начала космической эры привлекал к себе внимание двигателистов. Сжиженный природный газ на 90 % и более состоит из метана. Он неядовит, коррозионно пассивен. При сгорании в кислороде при оптимальном соотношении окислитель/горючее (далее - Ок/Гор) дает экологически чистые газообразные продукты, состоящие из водяного пара и моно- и двуокиси углерода. По плотности метан в два раза легче керосина, но в шесть раз плотнее водорода. Энергетическая ценность его несколько выше, чем у керосина, но значительно ниже, чем у водорода.

Относясь к криогенным горючим, он рассматривается в паре с жидким кислородом. Теоретический удельный импульс топлива «жидкий кислород -жидкий метан» на 3,4 % выше, чем топлива «жидкий кислород - керосин», но на 20,5 % ниже, чем топлива «жидкий кислород - жидкий водород». По объемному удельному импульсу (достаточно условная величина, характеризующая энергетику топлива применительно к заданной емкости баков ракеты) метан уступает керосину. Следует сказать, что в

настоящее время прогресс в материаловедении привел к разработке относительно легких топливных баков, масса которых все в меньшей степени влияет на т.н. «сухую» массу ракеты.

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 типа «синтина»), пятна пролива жидкого природного газа быстро испаряются, не нанося вреда окружающей среде.

Из отрицательных качеств метана, кроме пониженной плотности, можно выделить низкую температуру кипения и, как следствие, неудобства при хранении. Здесь он приближается к жидкому кислороду. Кроме того, смесь воздуха и газообразного метана взрывоопасна, что заставляет принимать дополнительные меры безопасности при хранении.