Результат интеллектуальной деятельности: РАКЕТНОЕ ТОПЛИВО СТАРОВЕРОВА - 6

Изобретение относится к ракетным топливам.

Известны ракетные топлива, см., например, пат. №2485341. Все существующие химические ракетные двигатели используют принцип высокотемпературного нагрева газа или газопылевого рабочего тела (пыль - это твердые фракции разложившегося твердого ракетного топлива). Делается это для того, чтобы повысить скорость истечения рабочего тела из реактивного сопла. Эта скорость определяется, во-первых, скоростью звука в газе и, во-вторых, степенью расширения газа в расширяющемся сверхзвуковом реактивном сопле, и достигает в лучших двигателях 4000 м/сек. Причем детали двигателя работают в очень напряженном тепловом режиме, даже с учетом их охлаждения.

Между тем скорость звука в водороде даже при нормальных температуре и давлении - 1330 м/сек. А если еще немного повысить температуру водорода, то скорость звука в нем и скорость истечения его из сопла резко возрастут. На этом и основана идея данного изобретения. Задача и технический результат изобретения - повышение скорости реактивной струи и удельного импульса ракетного двигателя, а также уменьшение веса и габаритов двигателя, особенно - жидкостного. Для этого двигатель должен вырабатывать чистый водород и твердые вещества. Подходящей химической реакцией для этого может быть реакция гидридов с водой, но она дает слишком малое удельное энерговыделение. Желательно увеличить его путем получения ВОДЫ путем горения гидридов в кислороде.

ВАРИАНТ 1. Жидкостный вариант. Данное топливо содержит газообразный, или жидкий, или расплавленный гидрид, или суспензию твердого гидрида в жидком (этот вариант хорошо подходит для орбитальных полетов, так как суспензия в невесомости не будет оседать), и кислород или кислородовыделяющее вещество, или смесь кислородовыделяющих веществ.

Такими гидридами могут быть бораны, силаны, фосфины, германы, гидриды бериллия, лития, алюминия, двойные гидриды (лития-алюминия) или боргидриды и т.п.

Кислородовыделяющими веществами могут быть азотная кислота, раствор пятиокиси азота в азотной кислоте, перекись водорода, тетранитрометан, нитрометан и т.п.

При таких реакциях будет выделяться столько тепла, что получившиеся твердые вещества расплавятся, а, возможно, и испарятся. Последнее нежелательно, так как тогда средний молекулярный вес газовой смеси резко увеличится, и скорость звука в нем резко снизится. Чтобы этого не допустить, можно дополнительно подавать в камеру сгорания богатые водородом гидриды (например, диборан), или метан, или аммиак (но тогда надо связывать его азот боранами, чтобы азот не увеличил средний молекулярный вес газов). Метан обладает наивысшим содержанием водорода - 25% и, кроме того, термически разлагается с выделением тепла в количестве 4,68 кДж/г.

Наилучшим экзотермическим эффектом обладает реакция с водой гидрида бериллия. Он же обладает хорошей теплотой сгорания с кислородом.

Пример 1. Работает топливо так: в горячей камере сгорания компоненты смешиваются, и происходит реакция расплавленного гидрида бериллия с кислородом (разумеется, как и в обычном ЖРД, компоненты мелко распыляются и смешиваются). Расплавленный гидрид бериллия должен быть при температуре 220-245°С, так как при 250°С он начинает разлагаться.

Реакция в таком заряде идет двухступенчато.

То есть происходит как бы ПОЛОВИННОЕ СГОРАНИЕ гидрида бериллия. Но если при полном сгорании выделилась бы вода, скорость звука в которой в 3,2 раза меньше, чем в водороде, то при половинном сгорании выделится нужный нам водород.

Выделение водорода в этой реакции небольшое - 7,47%, но зато тепловыделение очень высокое - 1155 кДж, или 21,39 мДж/кг. Эквивалентный коэффициент, равный произведению тепловыделения на долю выделившегося водорода, у этой реакции - 2,86.

Расчеты показывают необычно высокую температуру реакции - 9460°С. Скорость звука в водороде при этом будет 7660 м/сек (при атмосферном давлении).

Однако слишком маленькое выделение водорода внушает опасение - сумеет ли такое количество водорода разогнать такое большое количество балласта (оксида бериллия) до скорости, приближающейся к своей скорости звука при данной температуре. Произведем проверочный расчет по кинетической энергии продуктов реакции. Оказывается, что при 100% к.п.д. продукты реакции без учета плавления и испарения могут достичь скорости 6540 м/сек, с учетом плавления - 6125 м/сек, а с учетом испарения оксида бериллия при температуре 4120°С и затраченного на это тепла, температура, скорее всего, не поднимется выше последней температуры 5550°С. При такой температуре скорость звука в водороде составит 5790 м/сек (при атмосферном давлении).

То есть если к.п.д. двигателя будет меньше 78,7%, то данному двигателю не потребуется расширяющееся сверхзвуковое сопло. Достаточно сужающегося. Желательно, с небольшой цилиндрической частью на выходе (около 10% диаметра), чтобы лучше разогнать пылевые частицы. Отсутствие конфузора реактивного сопла значительно снизит вес двигателя и резко снизит его габариты.

Соотношение компонентов в данной реакции 22,06:32, то есть с учетом возможных отклонений и побочных реакций 40,81±20 мас.% гидрида бериллия и, естественно, 59,19±20 мас.% кислорода. Такой большой допуск дан для того, чтобы можно было опытным путем определить оптимальное соотношение - сколько гидрида сжигать, а сколько разлагать, то есть варьировать количество выделившегося водорода.

Для предупреждения потерь тепла с плавлением и испарением получившихся веществ (кроме водорода, конечно), то есть в данном случае - оксида бериллия (температура кипения - 4210°С, а плавления - 2530°С), можно вдувать в камеру сгорания метан.

Но, чтобы не происходило образования окиси и двуокиси углерода, возможно, придется организовать подачу компонентов в два этапа (в две последовательных зоны): сначала подать все, кроме метана, а затем к образовавшимся продуктам добавить метан, который в отсутствие кислорода будет разлагаться с образованием водорода. Пример такого двигателя см., например, патент №2419035 «Трехзонный двигатель».

Пример 2. Рассмотрим многокомпонентную реакцию, где кислородовыделяющим веществом будет азотная кислота, ее азот будет связываться дибораном, «основным» поставщиком энергии и водорода будет гидрид бериллия, а «связывать» лишнюю энергию будет метан.

То есть удельное тепловыделение - 16,63 кДж/г (мДж/кг). С учетом потерь тепла на плавление получившихся продуктов реакции тепловыделение составит 3135 кДж, то есть 14,25 кДж/г (мДж/кг). Теоретическая температура реакции (без учета предварительного нагрева реагентов) - 8560°С. Скорость звука в водороде при этом будет 7300 м/сек. Но проверочный расчет по закону сохранения энергии показал, что скорость струи не превысит 5770 м/сек.

Чтобы не допустить плавления оксида бериллия при 2530°С, в камеру сгорания надо подать метан в количестве 23 молекулы на указанную реакцию. В результате мы получим пыле-водородную струю с температурой 2520°С и с содержанием водорода 19,2%. Скорость звука в такой струе будет 4110 м/сек. То есть при к.п.д. сопла, превышающем 71,2%, потребуется расширяющийся участок реактивного сопла (конфузор), чтобы получить 5770 м/сек.

Топливо имеет следующее соотношение компонентов: диборана - 4,70 мас.%, гидрида бериллия - 11,22 мас.%, азотной кислоты - 21,44 мас.% и метана - 62,64 мас.%.

Можно допустить потерю тепла на плавление получившихся компонентов, но не допустить кипения оксида бериллия (4120°С), и подать меньше метана: диборана - 10,10 мас.%, гидрида бериллия - 24,16 мас.%, азотной кислоты - 23,0 мас.% и метана - 42,74 мас.%.

Но чтобы не происходило образования окиси и двуокиси углерода, возможно, придется организовать подачу компонентов в две зоны (см. выше).

Такое топливо хорошо применимо к плановым космическим запускам, так как необходимо аккуратно расплавить гидрид бериллия и поддерживать его в этом состоянии. Необходимо также приготовить и залить жидкий кислород и жидкий диборан (если они используются).

Однако такое топливо может быть и в двигателе постоянной готовности. Для этого надо использовать азотную кислоту или раствор в ней пятиокиси азота, и тетраборан вместо диборана (энергетика реакции несколько снизится). При этом вместо расплавленного гидрида бериллия можно использовать его суспензию в тетраборане. Чтобы она медленно оседала, частицы гидрида должны быть наноразмеров. Перед стартом суспензия перемешивается, допустим, бегущим магнитным полем. Чтобы не использовать сжатый метан, его придется заменить пропаном или тем же тетрабораном. Если будет использоваться пропан, то суспензию гидрида можно сделать в нем, так как его потребуется гораздо больше, чем тетраборана. А еще лучше, разделить весь гидрид пополам - половина будет в тетраборане, а половина - в метане. Тогда не потребуются две зоны.

Чтобы двигатель с таким топливом запустился, ему желателен начальный источник тепла. Им может быть установленная на пусковой установке горелка или пиротехническая шашка, которая направлена внутрь камеры сгорания. В течение некоторого времени она прогревает камеру, а затем, после подачи компонентов топлива инициирует начало их реакции.

Более интересен вариант, в котором шашка быстрогорящего твердого ракетного топлива установлена в самой камере сгорания - по центру и/или на стенках ее. Такая шашка при правильном расчете ее мощности сразу начинает двигать ракету, прогревает камеру сгорания и в конце работы (примерно на 25-10% мощности) инициирует реакцию реагентов топлива. Возможно плавное замещение производительности шашки плавной подачей топлива в камеру сгорания. Время работы такой шашки невелико - секунды или даже доли секунды. Так как желательно прогреть стенки камеры сгорания, то если шашек две - в центре и по краям камеры сгорания, то центральная шашка должна работать несколько дольше, чтобы прогреть стенки, открывшиеся после полного выгорания боковой шашки.

ВАРИАНТ 1-А. В качестве поставщика кислорода в таком топливе может быть использована газогенераторная кислородовыделяющая шашка, например, на основе охлажденного озонида калия (разлагается при 20°С). Если используется охлаждение кислорода до температуры 183°С, или используется зимний подогрев топлива в ракете «Тополь-М», то почему бы не использовать охлаждение шашки всего до 0°С.

В случае использования смеси гидридов или смеси кислородовыделяющих веществ реакции с ними идут параллельно с образованием общего экзотермического эффекта и общего выделения водорода. Это относится ко всем вариантам данного топлива.

ВАРИАНТ 2. Твердотопливный вариант. Хранить кислород в ракете в сжатом или жидком криогенном состоянии неудобно, если требуется постоянная готовность к пуску. В этих случаях можно применить связанный кислород, например нитраты, хлораты, перхлораты, супероксид калия, перманганаты, их смеси и другие известные или открытые в будущем кислородовыделяющие вещества. Как и во всех вариантах данного топлива связанного кислорода берется столько, чтобы происходило выделение чистого водорода (см. стр. 1), который не окислялся бы избытком кислорода до воды.

Двигатель с таким топливом, если в нем применен твердый гидрид бериллия или боргидрид бериллия, или другой твердый гидрид, по конструкции может быть аналогичен обычным твердотопливным двигателям. Однако если в качестве гидрида взят газообразный гидрид, например диборан, моносилан или фосфин, то потребуется отдельный бак для них.

Очень любопытный вид может иметь реакция термического разложения с выделением кислорода, если взят нитрат тяжелого металла, который термически разлагается с образованием оксида этого металла, а в качестве гидрида взят гидрид металла, стоящего в ряду напряжений левее упомянутого металла. В этом случае между окисью тяжелого металла и выделившимся в чистом виде металлом гидрида возможна реакция металлотермии (аналогично «термиту») с выделение большого количества тепла. Особенно, если взят гидрид бериллия (стандартная мольная энтальпия образования оксида бериллия = -598 кДж.). Например, двойная реакция (сразу итог):

Удельное тепловыделение неплохое - 13,11 кДж/г, но выделение водорода всего 6,4%.

Возможно обратное направление реакции металлотермии - если в качестве гидрида взят, например, гидрид бериллия, который в результате описанной в примере 1 реакции выделит оксид бериллия, а в качестве кислородовыделяющего вещества взят, например, перхлорат кальция или магния, чьи окислы имеют более отрицательную стандартную мольную энтальпию образования, то реакция металлотермии может произойти с ионами кальция или магния, выделившимися в результате разложения и диссоциации перхлоратов этих веществ. Причем экзотермическая, хотя тепловой эффект будет очень небольшой.

Итак, данное топливо содержит гидрид и кислородовыделяющее вещество.

Чтобы не было потерь тепла с испарением твердых продуктов реакции в такой двигатель, так же как и в жидкостный, могут подаваться боран, или силан, или фосфин, или герман, или расплавленные гидриды, или метан, или же твердые гидриды дополнительно входят в состав твердого ракетного топлива.

Реакция в таком двигателе идет так же как и в первом варианте, но добавляется разложение кислородовыделяющего вещества или их смеси.

Пример 3. Возьмем в качестве кислородовыделяющего вещества перхлорат калия. А в качестве гидрида, как и в первом варианте - гидрид бериллия. Реакция при нагревании будет:

Выделится 1880 кДж, то есть 10,30 кДж/г, что значительно хуже, чем в первом варианте. Водорода будет всего 5,43% от исходной массы. Соотношение реагентов будет 44,12:138,55, то есть 24,15±20 мас.% гидрида бериллия и 75,85±20 мас.% перхлората калия.

Достаточно перспективной будет реакция боргидрида бериллия или борана с перхлоратом или нитратом аммония. При этом кроме вышеуказанных реакций пойдет экзотермическая реакция образования нитрида бора (мольная энтальпия образования - 252,6 кДж, то есть 10,14 кДж/г), что еще больше повысит общий экзотермический эффект реакции. И, кроме того, повысит процент выделения водорода. При этом экзотермический эффект разложения аммония повысит скорость фронта горения в таком заряде.

Пример 4: Рассмотрим две реакции боргидрида бериллия с нитратом аммония:

То есть тепловыделение 10,14 кДж/г, водород 14,39 мас.%, экв. показатель 1,46.

Соотношение гидрида и селитры 116,1:80,04, или 59,19 мас.% и 40,81 мас.%.

Теперь возьмем селитры в 2 раза больше, чтобы окислить бор:

То есть тепловыделение 12,25 кДж/г (с учетом плавления оксида бора 12,17 кДж/г), водород 11,68 мас.%, экв. показатель 1,42.

Соотношение гидрида и селитры 116,1:160,08, или 42,04 мас.% и 57,96 мас.%. Формально, удельное тепловыделение второй реакции выше, однако, в ней есть три «минуса» - водород может загрязняться парами оксида бериллия (температура кипения 2100°С), расплавленный оксид может «обволакивать» молекулы бора, препятствуя образованию нитрида бора, и избыток окислителя вместо бериллия и бора может начать окислять водород с образованием паров воды, то есть загрязнять водород. Возможно, оптимальное соотношение лежит где-то посередине (требуется серия экспериментов).

Расчетная температура (в °С) первой реакции при постоянном давлении - 4975, при постоянном объеме - 5785. Второй реакции соответственно - 7165 и 8150. Но вследствие испарения оксида бора и вследствие плавления оксида бериллия, бора и нитрида бора (в интервале 2075-3000°С) реальная температура будет ниже. Скорость струи, рассчитанная по закону сохранения энергии не может быть больше в первом случае - чем 4500 м/сек, а во втором случае - чем 4950 м/сек.

Возможен промежуточный вариант, когда вместо трех молекул боргидрида бериллия берется одна его молекула и еще две молекулы гидрида бериллия, которые взаимодействуют с одной молекулой нитрата аммония. В этом случае свободного бора выделяться не будет.

То есть тепловыделение этой реакции - 13,59 кДж/г, выделение водорода - 11,36 мас.%, эквивалентный показатель - 1,54. По меркам твердотопливных двигателей - очень хорошее топливо, к тому же выделяющее чистый водород (газо-пылевую взвесь).

Инициирующий пиротехнический заряд такого двигателя находится, как обычно у твердотопливных двигателей, внутри корпуса.

Возможен вариант комбинации топлив, когда в камеру сгорания или в корпус обычного твердотопливного ракетного двигателя дополнительно подается боран, или силан, или фосфин, или герман, или расплавленные гидриды, или метан, или же твердые гидриды дополнительно входят в состав твердого ракетного топлива. Эти гидриды предназначены только для выделения водорода.

В результате горения обычного (окислительно-восстановительного) ракетного топлива и взаимодействия гидридов с образовавшейся водой получается газо-пылевая смесь, в которой скорость звука будет ниже чем водороде, но выше чем в обычных ракетных газах. Суммарный импульс такого двигателя может оказаться и выше чисто водородного двигателя, и выше окислительно-восстановительного двигателя (требуется серия экспериментов). Но, даже если импульс окажется примерно одинаковым, такой двигатель продолжает сохранять преимущество низкой температуры процесса, то есть будет иметь пониженную инфракрасную заметность и низкую тепловую напряженность конструкции двигателя, то есть ее малый вес и отсутствие охлаждения.

Стехиометрическое соотношение компонентов зависит от конкретного типа ракетного топлива и определяется экспериментально (при горении топлива количество выделившейся воды может отличаться от теоретического). Оптимальное соотношение может отличаться от стехиометрического.

Если топливо по любому из вариантов работает не в вакууме, и если водород за соплом будет смешиваться с воздухом и гореть, то имеющиеся в нем пылевые частицы будут светиться, и инфракрасная заметность такого двигателя будет выше обычного.

Данное топливо по любому из вариантов может использоваться в качестве поставщика горячего водорода в обычный окислительно-восстановительный ЖРД или ТТРД. Причем ТТРД в этом случае будет представлять собой газогенераторную кислородовыделяющую шашку и может иметь отдельную камеру сгорания. Этот вариант интересен тем, что в кислородовыделяющей шашке и в «водородовыделяющей шашке» будут сравнительно небольшие температуры, и их корпуса (например, общий цилиндрический корпус с поперечной перегородкой с продольной трубой) не потребуют значительной теплоизоляции. Горение в них может быть организовано торцевое. А высокие температуры будут только в их общей камере сгорания сравнительно небольшого размера и объема.