Перспективы использования перекиси водорода

УДК 629.7.036

К. Ш. Ахметшин, С. Ю. Кирюхин

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПЕРЕКИСИ ВОДОРОДА

Рассматривается возможность применения перекиси водорода на современном этапе развития космической техники, анализируются перспективы и причины, тормозящие использование перекиси водорода.

Двигательные установки на перекиси водорода (ПВ) получили незаслуженно малое применение в ракетной технике.

Первым, кто признал потенциальную возможность использования ПВ в жидкостных ракетных двигателях (ЖРД), был немец Хелльмут Вальтер. По его заказам в Германии начала производиться перекись 80%-й концентрации. Первый самолет с ЖРД Вальтера - He-176 с «холодным» ускорителем взлета и тягой 590 кгс - полетел в 1938 г. В нем высококонцентрированная перекись водорода (ВПВ) разлагалась при одновременном введении в камеру жидких катализаторов.

В 1940-1950 гг. ПВ использовалась в основном для привода турбонасосного агрегата большинства мощных ЖРД включая двигатели немецкой ракеты V-2 и экспериментального ракетного самолета X-15. Сейчас она применяется в двигателях первой (РД-107) и второй (РД-108) ступени РН «Союз».

На современном этапе NASA и BBC разрабатывают дешевые «перекисные» ЖРД; в частности, двигатель AR2-3, работающий на перекиси и керосине JP-10 и способный развивать тягу около 3 200 кгс при удельном импульсе 330 с, для обеспечения маневрирования на орбите экспериментального аппарата X-37.

В настоящее время перекись водорода в качестве окислителя мало где используется, поскольку топлива на ее основе дают сравнительно малую тягу. Однако она была применена на двигателях РД-502 на топливной паре с пентабораном (удельный импульс 380 с), а также РД-510 с керосином. Спирт или углеводород в сочетании с ПВ способны дать удельный импульс 250...300 с, в то время как удельный импульс наиболее эффективных компонентов ЖРД составляет 480 с.

Перекись водорода - нестабильное соединение, имеющее склонность к самопроизвольному распаду на воду и кислород. При этом выделяется 47,2 % кислорода от общего веса. Однако при выделении кислорода освобождается значительное количество энергии (1 323 кал/кг), что значительно повышает интерес к этому веществу. Вследствие выделения кислорода долго хранить перекись в изолированных баках нельзя. Этот недостаток мешает ее широкому применению в ракетно-космической технике.

Одним из основных достоинств ПВ является ее малая токсичность. Перекись можно переливать между открытыми контейнерами над поддонами на случай разлива. Для сравнения: N2O4 и N2H4 должны по-

стоянно находиться в запечатанных сосудах, при работе с ними часто используют специальный дыхательный аппарат. А в сочетании с керосином ПВ является наиболее экологичным ракетным топливом. ПВ может использоваться в ракетном топливе, заменяя жидкий кислород, тетроксид азота или перхлорат аммония.

Высококонцентрированная перекись водорода в последние годы привлекательна в новых разработках, где предыдущие технологии не могут конкурировать напрямую. Этими разработками являются спутники массой в 5.. .50 кг.

При использовании катализатора ВПВ может служить однокомпонентным топливом. Как однокомпо-нентное топливо, перекись обладает высокой плотностью (более 1 340 кг/м3) и удельным импульсом в вакууме около 150 с. К недостатку можно отнести невысокую энергетику, в этом ВПВ уступает гидразину и некоторым сложным химическим соединениям (тетранитрометану и т. п.), однако превосходит их по экологичности, стоимости, простоте и безопасности применения.

По сравнению с двигателями на сжатом азоте двигатели на ПВ имеют значительно меньшую массу вследствие утяжеления баков. Современные баки для хранения азота, разработанные для небольших спутников, весят столько же, сколько и сам азот. Для сравнения: баки жидких топлив могут хранить топливо массой до 30 масс баков. Разумно хранить топливо в жидкой форме и преобразовывать его в газ для распределения между различными двигателями системы ориентации.

С баками на современных полимерах разложение перекиси при хранении может поддерживаться на уровне менее 1 % в год. Помимо того, разложение сильно зависит от катализаторов и температуры. Может оказаться возможным хранить перекись неограниченно долго в космических полетах, если удастся ее замораживать. Перекись не расширяется при замерзании и не создает угрозы для клапанов и труб, как это происходит с водой.

По результатам НИОКР и реальных наработок ВПВ как окислитель была признана перспективной по критерию «стоимость/эффективность». Время разработки и запуска производства двигателей на топливе «ВПВ - керосин» составляет от У1 до У времени для ЖРД на топливе «жидкий кислород - керосин» и 0,1.0,2 для двигателя на топливе «жидкий кислород -

Решетневскце чтения

жидкий водород» открытого цикла. Это время еще меньше для аналогичных ЖРД замкнутого цикла.

Комбинация «ПВ - керосин» имеет ряд важных характеристик, которые весьма удобны для применения в ракетах, особенно в тех случаях, когда необходимо регулировать тягу двигателя в широком диапазоне. Ее преимущества заключаются в том, что данная комбинация жидкого топлива имеет одну из самых высоких плотностей (примерно 1 270 кг/м3), а баки могут быть изготовлены из алюминиевых сплавов. С ней относительно удобно обращаться, в отличие от других окислителей. Она не испускает ядовитых паров при хранении и после сгорания не оставляет ток-

сичных веществ. Данная комбинация сопоставима с топливом «жидкий кислород - жидкий водород».

Применение этой комбинации топлива может обеспечить низкие затраты на разработку и поставку ЖРД и РН и минимизировать работы по подготовке двигательной установки к запуску.

На данный момент производство ВПВ дороже, чем окислителей на основе окислов азота и азотной кислоты. Высокая цена является значительным недостатком, и, если возможно было ее снизить, ВПВ, бесспорно, стала бы одним из лучших долгохранимых окислителей и однокомпонентных топлив для космических аппаратов.

K. S. Akhmetshin, S. U. Kiryukhin Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev, Russia, Krasnoyarsk

PROSPECTS FOR USE OF HYDROGEN PEROXIDE

The article considers possibility of using hydrogen peroxide at the present stage of development of space technology, perspectives and the reasons hindering the use of hydrogen peroxide.

© AxMeTmHH K. ffl., KaproxHH C. ro., 2011

УДК 621.755

Д. Н. Баженов, А. Н. Шмаков, И. Н. Ковалев

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДИНАМИЧЕСКОЙ БАЛАНСИРОВКИ РОТОРА

ТУРБОНАСОСНОГО АГРЕГАТА

Рассмотрена проблема повышения эффективности и точности динамической балансировки роторов тур-бонасосных агрегатов (ТНА), изготовленных методом литья.

Вибрации отрицательно сказываются на работоспособности двигателей, снижая их надежность, ресурс и общий срок службы. Значительные вибрации приводят к большому износу уплотняющих элементов роторов ТНА, к ускоренному износу подшипников, валов и других составляющих механизма, повышенному уровню шума, уменьшению КПД и т. д., вызывают перегрузку деталей двигателя, приводят к нарушению плотности стыков деталей и герметичности соединений трубопроводов, к поломке и нарушению работы агрегатов двигателя [1].

В современных конструкциях ракетных двигателей широко применяются диски газовых турбин и центробежные колеса, изготовленные методом литья. Дисбаланс литых деталей ротора, как правило, превышает значение дисбаланса аналогичных сборно-паяных деталей. Поэтому вопрос о повышении эффективности динамической балансировки ротора ТНА является актуальным.

Основной причиной повышенной вибрации вращающихся машин является дисбаланс. Ликвидация дисбаланса - достаточно сложная задача, требующая

квалифицированного персонала и сложной измерительной техники.

Одним из признаков технологической классификации балансировочных станков служит степень их универсальности, т. е. разнообразие конструкций и типоразмеров роторов, для которых они могут быть использованы [2].

Современные роторы ТНА требуют комплекса оборудования, обеспечивающего динамическую балансировку тел вращения различной формы в широком диапазоне по массе и диаметру ротора, выполнения балансировочных работ как при серийном, так и при единичном производстве, настройку станочного оборудования на заданный тип ротора и сохранение этих настроек для его балансировки на любой скорости [3].

Балансировочные станки подразделяются на четыре типа:

- универсальные станки;

- станки определенного назначения;

- специальные станки;

- балансировочные комплекты.