Пиротехническая химия: Введение в ракетную технику - Федосьев В.И. Двигательные установки на перекиси водорода для небольших спутников Нацистское наследие в Англии…

В 1818 г. французский химик Л. Ж. Тенар открыл "окисленную воду". Позже это вещество получило название перекись водорода . Плотность его составляет 1464,9 кг/кубометр . Итак, полученное вещество имеет формулу Н 2 O 2 , эндотермично, отщепляет кислород в активной форме с большим выделением тепла: Н 2 O 2 > Н 2 O + 0,5 O 2 + 23,45 ккал.

Химики и раньше знали о свойстве перекиси водорода как окислителе: растворы Н 2 O 2 (далее по тексту "перекись ") воспламеняли горючие вещества, да так, что погасить их не всегда удавалось. Поэтому применить перекись в реальной жизни как энергетическую субстанцию, да ещё не требующую дополнительного окислителя, пришло на ум инженеру Гельмуту Вальтеру из города Киль . А конкретно на подводных лодках, где нужно учитывать каждый грамм кислорода, тем более, что шёл 1933 год , а фашистская верхушка принимала все меры для подготовке к войне. Тут же работы с перекисью были засекречены. Н 2 O 2 - продукт нестойкий. Вальтер нашёл продукты (катализаторы), которые способствовали ещё более быстрому разложению перекиси . Реакция отщепления кислорода (Н 2 O 2 = Н 2 O + O 2 ) шла мгновенно и до конца. Однако возникла необходимость "избавиться" от кислорода. Почему? Дело в том, что перекись самое богатое соединение с O 2 его почти 95% от всего веса вещества. А поскольку первоначально выделяется атомарный кислород, то не использовать его как активный окислитель было просто неудобно.

Тогда в турбину, где и была применена перекись , стали подавать органическое топливо, а также воду, так как тепла выделялось весьма достаточно. Это способствовало росту мощности двигателя.

В 1937 году прошли успешные стендовые испытания парогазотурбинных установок, а в 1942 г была построена первая подводная лодка Ф-80 , которая развивала под водой скорость 28,1 узла (52,04 км\час ). Немецкое командование приняло решение о строительстве 24 субмарин, которые должны были иметь по две силовые установки мощностью каждая 5000 л.с. . Они потребляли 80%-ый раствор перекиси . В Германии готовились мощности по выпуску 90000 тонн перекиси в год. Однако для "тысячелетнего рейха" наступил бесславный конец...

Следует отметить, что в Германии перекись стали применять в различных модификациях самолётов, а также на ракетах Фау-1 и Фау-2 . Мы знаем, что все эти работы так и не смогли изменить ход событий...

В Советском Союзе работы с перекисью велись также в интересах подводного флота. В 1947 году действительный член Академии наук СССР Б. С. Стечкин , консультировавший специалистов по жидкостно-реактивным двигателям, которых назвали тогда ЖРДистами, в институте Академии артиллерийских наук, дал задание будущему академику (а тогда ещё инженеру) Варшавскому И. Л. сделать двигатель на перекиси , предложенный академиком Е. А. Чудаковым . Для этого были использованы серийные дизельные двигатели подводных лодок типа "Щука ". А практически "благословление" на работы дал сам Сталин . Это позволило форсировать разработки и получить на борту лодки дополнительный объём, где можно было разместить торпеды и другое вооружение.

Работы с перекисью были выполнены академиками Стечкиным , Чудаковым и Варшавским в очень короткие сроки. До 1953 года, по имеющейся информации, было оборудовано 11 подлодок. В отличие от работ с перекисью , что велись США и Англией, наши подлодки не оставляли за собой никакого следа, в то время как газотурбинные (США и АНГЛИЯ) имели демаскирующий пузырьковый шлейф. Но точку в отечественном внедрении перекиси и применению её для подлодок поставил Хрущёв : страна перешла на работу с атомными субмаринами. И мощный задел Н 2 -оружия порезали на металлолом.

Однако, что же мы имеем в "сухом остатке" с перекисью ? Оказывается, что её нужно гдето готовить, а затем уже заправлять баки (танки) машин. Это не всегда удобно. Поэтому лучше бы получать её непосредственно на борту машины, а ещё лучше перед впрыском в цилиндр или перед подачей на турбину. В этом случае гарантировалась бы полная безопасность всех работ. Но какие исходные жидкости для получения её нужны? Если брать некую кислоту и перекись , скажем, бария (Ва O 2 ), то этот процесс становится весьма неудобным для использования непосредственно на борту того же "Мерседеса"! Поэтому обратим внимание на простую воду - Н 2 O ! Оказывается, ее для получения перекиси можно спокойно и эффективно использовать! А нужно всего лишь заправить баки обычной колодезной водой и можно отправляться в путь-дорогу.

Единственная оговорка: при таком процессе опять образуется атомарный кислород (вспомните реакцию, с которой столкнулся Вальтер ), но и тут с ним, как оказалось, можно поступить разумно. Для его правильного использования нужна водотопливная эмульсия, в составе которой достаточно иметь хотя бы 5-10% некого углеводородного топлива. Тот же мазут вполне может подойти, зато даже при его применении углеводородные фракции обеспечат флегматизацию кислорода, то есть вступят с ним в реакцию и дадут дополнительный импульс, исключающий возможность неконтролируемого взрыва.

По всем расчетам тут вступает в свои права кавитация, образование активных пузырьков, которые способны разрушить структуру молекулы воды, выделить гидроксильную группу ОН и заставить её соединиться с такой же группой, чтобы получить нужную молекулу перекиси Н 2 O 2 .

Такой подход весьма выгоден с любых точек зрения, ибо позволяет исключить процесс изготовления перекиси вне объекта использования (т.е. дает возможность создавать ее прямо в двигателе внутреннего сгорания). Это очень выгодно, поскольку исключает этапы отдельной заправки и хранения Н 2 O 2 . Получается, что только в момент впрыска происходит образование нужного нам соединения и, минуя процесс хранения, перекись вступает в работу. А в баках того же авто может находится водотопливная эмульсия с мизерным процентом углеводородного топлива! Вот красота была бы! И совершенно не страшно было бы, если один литр горючего имел цену даже в 5 долларов США. В перспективе можно перейти на твёрдое горючее типа каменного угля, и спокойно синтезировать из него бензины. Угля ещё хватит на несколько сотен лет! Только Якутия на небольшой глубине хранит миллиарды тонн этого ископаемого. Это огромнейший регион, ограниченный снизу нитью БАМа, северная граница которого уходит далеко выше рек Алдан и Мая...

Однако перекиси по описанной схеме можно готовить из любых углеводородов. Думаю, что главное слово в этом вопросе осталось за нашими учёными и инженерами.

Использование: в двигателях внутреннего сгорания, в частности в способе обеспечения улучшенного сгорания топлив с участием углеводородных соединений. Сущность изобретения: в способе предусматривается введение в композицию 10-80 об. % перекиси или пероксо-соединения. Композицию вводят отдельно от топлива. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к способу и жидкой композиции для инициирования и оптимизации сжигания углеводородных соединений и снижения концентрации вредных соединений в выхлопных газах и выбросах, где жидкую композицию, содержащую пероксид или пероксо-соединение, подают в воздух сжигания или в топливновоздушную смесь. Предпосылки к созданию изобретения. В последние годы все большее внимание уделяется загрязнению окружающей среды и высокому энергорасходу особенно из-за драматической гибели лесов. Однако выхлопные газы всегда были проблемой населенных центров. Несмотря на постоянное совершенствование моторов и нагревательной техники с меньшими выбросами или выхлопными газами, все возрастающее число автомобилей и установок сжигания привело к общему увеличению количества выхлопных газов. Первичной причиной загрязнения выхлопных газов и большого расхода энергии является неполное сгорание. Схема процесса сжигания, эффективность системы зажигания, качество топлива и топливновоздушной смеси определяет эффективность сжигания и содержание несгоревших и опасных соединений в газах. Для снижения концентрации этих соединений применяют различные способы, например рециркуляцию и хорошо известные катализаторы, приводящие к дожиганию выхлопных газов вне зоны основного сжигания. Сжигание - это реакция соединения с кислородом (О 2) под действием теплоты. Такие соединения, как углерод (С), водород (Н 2), углеводороды и серы (S) генерируют достаточно теплоты для поддержания своего горения, а например азот (N 2) требует подвода теплоты для окисления. При высокой температуре 1200-2500 о С и достаточном количестве кислорода достигается полное сгорание, где каждое соединение связывает максимальное количество кислорода. Конечными продуктами являются СО 2 (двуокись углерода), Н 2 О (вода), SО 2 и SО 3 (оксиды серы) и иногда NО и NО 2 (оксиды азота, NО х). Оксиды серы и азота ответственны за закисление окружающей среды, их опасно вдыхать и особенно последние (NО х) поглощают энергию сгорания. Можно также получать холодные пламена, например голубое колеблющееся пламя свечи, где температура лишь около 400 о С. Окисление здесь не является полным и конечными продуктами могут быть Н 2 О 2 (перекись водорода), СО (моноокись углерода) и возможно С (копоть). Два последних указанных соединения, как и NО, вредны и могут давать энергию при полном сгорании. Бензин - это смесь углеводородов сырой нефти с температурами кипения в интервале 40-200 о С. Он содержит около 2000 различных углеводородов с 4-9 атомами углерода. Подробный процесс сжигания очень сложен и для простых соединений. Молекулы топлива разлагаются на более мелкие фрагменты, большинство из которых представляют собой так называемые свободные радикалы, т.е. нестабильные молекулы, быстро реагирующие, например, с кислородом. Наиболее важными радикалами являются атомарный кислород О, атомарный водород Н и гидроксильный радикал ОН. Последний особенно важен для разложения и окисления топлива как за счет прямого присоединения, так и отщепления водорода, в результате чего образуется вода. В начале инициирования сжигания вода вступает в реакцию H 2 O+M ___ H +CH +M где М - другая молекула, например азот, либо стенка или поверхность искрового электрода, с которой сталкивается молекула воды. Поскольку вода - это очень стабильная молекула, то для ее разложения требуется очень высокая температура. Лучшей альтернативой является добавление перекиси водорода, которая разлагается аналогичным образом H 2 O 2 +M ___ 2OH +M Эта реакция протекает намного легче и при более низкой температуре, особенно на поверхности, где поджигание топливно-воздушной смеси протекает легче и более контролируемым образом. Дополнительным положительным эффектом поверхностной реакции является то, что перекись водорода легко реагирует с копотью и смолой на стенках и свече зажигания с образованием диоксида углерода (СО 2), что приводит к чистке электродной поверхности и лучшему зажиганию. Вода и перекись водорода сильно понижают содержание СО в выхлопных газах следующей схеме 1) CO+O 2 ___ CO 2 +O: инициирование 2) O: +H 2 O ___ 2OH разветвление 3) OH +CO ___ CO 2 +H рост 4) H +O 2 ___ OH +O ; разветвление Из реакции 2) видно, что вода играет роль катализатора и затем образуется снова. Поскольку перекись водорода приводит к во много тысяч раз более высокому содержанию ОН- радикалов, чем вода, то стадия 3) значительно ускоряется, приводя к удалению большей части образующегося СО. В результате освобождается дополнительная энергия, помогающая поддерживать горение. NО и NО 2 являются высокотоксичными соединениями и приблизительно в 4 раза более токсичны, чем СО. При остром отравлении повреждаются легочные ткани. NО является нежелательным продуктом сгорания. В присутствии воды NО окисляется до НNО 3 и в этой форме вызывает приблизительно половину закисления, а другая половина обусловлена Н 2 SО 4 . Кроме того, NО х могут разлагать озон в верхних слоях атмосферы. Большая часть NО образуется в результате реакции кислорода с азотом воздуха при высоких температурах и, следовательно, не зависит от состава топлива. Количество образующихся ПО х зависит от продолжительности поддержания условий сжигания. Если снижение температуры проводится очень медленно, то это приводит к равновесию при умеренно высоких температурах и к относительно низкой концентрации NО. Следующие способы можно использовать для достижения низкого содержания NО. 1. Двухстадийное сжигание обогащенной топливом смеси. 2. Низкая температура сжигания за счет: а) большого избытка воздуха,
b) сильного охлаждения,
с) рециркуляции газов сжигания. Как часто наблюдается при химическом анализе пламени, концентрация NО в пламени более высока, чем после него. Это процесс разложения О. Возможная реакция:
СH 3 + NO ___ ... H+H 2 O
Таким образом, образование N 2 поддерживается условиями, дающими высокую концентрацию CH 3 в горячих обогащенных топливом пламенях. Как показывает практика, топлива, содержащие азот, например в форме таких гетероциклических соединений, как пиридин, дают большее количество NО. Содержание N в различных топливах (приблизительное), %: Cырая нефть 0,65 Асфальт 2,30 Тяжелые бензины 1,40 Легкие бензины 0,07 Уголь 1-2
В SE-В-429.201 описана жидкая композиция, содержащая 1-10 об.% перекиси водорода, а остальное - вода, алифатический спирт, смазочное масло и возможно ингибитор коррозии, где указанную жидкую композицию подают в воздух сжигания или в топливовоздушную смесь. При таком низком содержании перекиси водорода образующееся количество ОН-радикалов не достаточно как для реакции с топливом, так и с СО. За исключением составов, приводящих к самовозгоранию топлива, достигаемый здесь положительный эффект мал по сравнению с добавлением одной воды. B DЕ-А-2.362.082 описано добавление окисляющего агента, например, перекиси водорода, при сжигании, однако перекись водорода разлагают на воду и кислород с помощью катализатора перед ее вводом в воздух сжигания. Цель и наиболее важные признаки данного изобретения. Целью данного изобретения является улучшение сжигания и снижения выброса вредных выхлопных газов при процессах горения, вовлекающих углеводородные соединения, за счет улучшенного инициирования горения и поддержания оптимального и полного сгорания в таких хороших условиях, что содержание вредных выхлопных газов сильно снижается. Это достигается тем, что в воздух сжигания или в воздушно-топливную смесь подают жидкую композицию, содержащую пероксид или пероксо-соединение и воду, где жидкая композиция содержит 10-80 об.% пероксида или пероксо-соединения. В щелочных условиях перекись водорода разлагается на гидроксильные радикалы и пероксидные ионы по следующей схеме:
H 2 O 2 +HO 2 ___ HO +O 2 +H 2 O
Образующиеся гидроксильные радикалы могут реагировать друг с другом, с пероксидными ионами или с перекисью водорода. В результате этих представленных ниже реакций образуются перекись водорода, газообразный кислород и гидроперекисные радикалы:
HO +HO ___ H 2 O 2
HO +O ___ 3 O 2 +OH -
HO +H 2 O 2 ___ HO 2 +H 2 O Известно, что рКа пероксидных радикалов равно 4,88 0,10 и это означает, что все гидропероксирадикалы диссоциируют до пероксидных ионов. Пероксидные ионы могут также реагировать с перекисью водорода, друг с другом или захватывать образующийся синглетный кислород. O+H 2 O 2 ___ O 2 +HO +OH -
O+O 2 +H 2 O ___ I O 2 +HO - 2 +OH -
O+ I O 2 ___ 3 O 2 +O+22 ккал. Таким образом образуется газообразный кислород, гидроксильные радикалы, синглетный кислород, перекись водорода и триплетный кислород с выделением энергии 22 ккал. Подтверждено также, что ионы тяжелых металлов, присутствующие при каталитическом разложении перекиси водорода, дают гидроксильные радикалы и пероксидные ионы. Имеются сведения о константах скорости, например следующие данные для типичных алканов нефти. Константы скоростей взаимодействия н-октана с Н, О и ОН. к = А ехp/E/RT Реакция А/см 3 /моль:c/ E/кДж/моль/ н-С 8 Н 18 + Н 7,1:10 14 35,3
+О 1,8:10 14 19,0
+ОН 2,0:10 13 3,9
Из этого примера мы видим, что атака ОН-радикалами протекает быстрее и при более низкой температуре, чем Н и О. Константа скорости реакции СО + + ОН _ СО 2 + Н имеет необычную температурную зависимость в силу отрицательной энергии активации и высокого температурного коэффициента. Ее можно записать следующим образом: 4,4 х 10 6 х Т 1,5 ехр/3,1/RT. Скорость реакции будет почти постоянной и равной около 10 11 см 3 /моль сек при температурах ниже 1000 о К, т.е. вплоть до комнатной температуры. Выше 1000 о К скорость реакции возрастает в несколько раз. В силу этого реакция полностью доминирует в превращении СО в СО 2 при сжигании углеводородов. В силу этого раннее и полное сгорание СО улучшает термическую эффективность. Пример, иллюстрирующий антагонизм между О 2 и ОН - это реакция NH 3 -H 2 О 2 -NО, где добавление Н 2 О 2 приводит к 90% снижения NО х в бескислородной среде. Если же О 2 присутствует, то даже при лишь 2% ПО х снижение сильно уменьшается. В соответствии с данным изобретением для генерирования ОН-радикалов используют Н 2 О 2 , диссоциирующую приблизительно при 500 о С. Их время жизни равно максимум 20 мсек. При нормальном сжигании этанола 70% топлива расходуется на реакцию с ОН-радикалами и 30% - с Н-атомами. В данном изобретении, где уже на стадии инициирования горения образуются ОН-радикалы, резко улучшается сжигание за счет немедленной атаки топлива. При добавлении жидкой композиции с высоким содержанием перекиси водорода (выше 10%) имеется достаточно ОН-радикалов для немедленного окисления образующегося СО. При более низких содержаниях перекиси водорода образующихся ОН-радикалов недостаточно для взаимодействия как с топливом, так и с СО. Жидкая композиция подается таким образом, что отсутствует химическая реакция в промежутке между контейнером с жидкостью и камерой сгорания, т.е. разложение перекиси водорода на воду и газообразный кислород не протекает, и жидкость без изменений достигает непосредственно зоны сгорания или предкамеры, где смесь жидкости и топлива поджигается вне основной камеры сгорания. При достаточно высокой концентрации перекиси водорода (около 35%) может протекать самовозгорание топлива и поддержание горения. Поджигание смеси жидкости с топливом может протекать путем самовозгорания или контакта с каталитической поверхностью, при котором запал или что-то подобное не нужно. Поджигание может осуществляться через тепловую энергию, например, запал накапливающее тепло, открытое пламя и т.п. Смешение алифатического спирта с перекисью водорода может инициировать самовозгорание. Это особенно полезно в системе с предварительной камерой, где можно не допускать смешения перекиси водорода со спиртом до достижения предварительной камеры. Если снабдить каждый цилиндр инжекторным клапаном для жидкой композиции, то достигается очень точное и адаптированное для всех сервисных условий дозирование жидкости. С помощью контролирующего устройства, регулирующего инжекторные клапаны, и различных датчиков, соединенных с мотором, подающих в контролирующее устройство сигналы о положении вала двигателя, скорости мотора и нагрузке и, возможно, о температуре поджига, можно достичь последовательной инжекции и синхронизации открывания и закрывания инжекторных клапанов и дозирования жидкости не только зависимо от нагрузки и нужной мощности, а также со скоростью мотора и температурой инжектируемого воздуха, что приводит к хорошему движению во всех условиях. Жидкая смесь в некоторой степени заменяет подачу воздуха. Было проведено большое число испытаний для выявления различий в эффекте между смесями воды и перекиси водорода (23 и 35% соответственно). Нагрузки, которые выбраны, соответствуют движению по высокоскоростной трассе и в городах. Испытывался мотор В20Е с водяным тормозом. Мотор прогревался перед испытанием. При высокоскоростной нагрузке на мотор выделение NО х, СО и НС повышается при замене перекиси водорода на воду. Содержание NО х понижается при увеличении количества перекиси водорода. Вода также снижает содержание NО х, однако при этой нагрузке требуется в 4 раза больше воды, чем 23% перекиси водорода для того же снижения содержания NО х. При нагрузке движения по городу сначала подают 35% перекиси водорода, при этом скорость и момент мотора несколько возрастают (20-30 оборотов в мин/0,5-1 нМ). При переходе на 23% перекись водорода момент и скорость мотора снижаются при одновременном возрастании содержания NО х. При подаче чистой воды трудно поддерживать вращение мотора. Содержание НС резко возрастает. Таким образом, перекись водорода улучшает сгорание, одновременно снижая содержание NО х. Испытания, проведенные в Шведской Инспекции моторов и транспорта на моделях SAAB 900i и VoIvo 760 Тurbo с примешиванием и без примешивания к топливу 35% перекиси водорода дали следующие результаты по выделению СО, НС, NО х и СО 2 . Результаты представлены в % величин, полученных при использовании перекиси водорода, относительно результатов без использования смеси (таблица 1). При испытании на Volvo 245 G14FK/84 при холостом ходе содержание СО было равно 4% и содержание НС 65 ч/млн без пульсации воздуха (очистка выхлопного газа). При смешении с 35% раствором перекиси водорода содержание СО снизилось до 0,05% , а НС-содержание - до 10 ч/млн. Время зажигания было равно 10 о и обороты на холостом ходу были равны 950 об/мин в обоих случаях. В испытаниях, проведенных в Норвежском морском технологическом исследовательском институте А/S в Трондхайме выделение НС, СО и NО х проверяли для Volvo 760 Turbo после ЕСЕ-регулирования N 15.03 с прогретым мотором, начиная с использования или без использования 35% раствора перекиси водорода при сжигании (таблица 2). Выше указано использование только перекиси водорода. Аналогичный эффект может быть достигнут также с другими перекисями и пероксо-соединениями, как неорганическими, так и органическими. Жидкая композиция, кроме перекиси и воды, может содержать также до 70% алифатического спирта с 1-8 атомами углерода и до 5% масла, содержащего ингибитор коррозии. Количество жидкой композиции, примешиваемое в топливу, может варьироваться от нескольких десятых долей процента жидкой композиции от количества топлива до нескольких сотен %. Большие количества используются, например, для трудновоспламеняемых топлив. Жидкую композицию можно использовать в двигателях внутреннего сгорания и в других процессах сжигания с участием таких углеводородов, как нефть, уголь, биомасса и пр., в сжигающих печах для более полного сгорания и снижения содержания вредных соединений в выбросах.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УЛУЧШЕННОГО СГОРАНИЯ С УЧАСТИЕМ УГЛЕВОДОРОДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ, при котором в воздух для горения или топливовоздушную смесь соответственно вводят жидкую композицию, содержащую перекись или пероксосоединения и воду, отличающийся тем, что, с целью уменьшения содержания вредных соединений в выхлопных газах-выбросах, жидкая композиция содержит 10 - 60 об. % перекиси или пероксосоединения и ее вводят непосредственно и отдельно от топлива в камеру сгорания без предварительного разложения перекиси или пероксосоединения или ее вводят в предварительную камеру, где смесь топлива и жидкой композиции воспламеняют вне основной камеры сгорания. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что вводят алифатический спирт, содержащий 1 - 8 атомов углерода, в предварительную камеру отдельно.

Перекись водорода H 2 O 2 - прозрачная бесцветная жидкость, заметно более вязкая, чем вода, с характерным, хотя и слабым запахом. Безводную перекись водорода трудно получить и хранить, и она является слишком дорогой для использования в качестве ракетного топлива. Вообще, дороговизна - один из главных недостатков перекиси водорода. Зато, по сравнению с другими окислителями, она более удобна и менее опасна в обращении.
Склонность перекиси к самопроизвольному разложению традиционно преувеличивается. Хотя мы и наблюдали снижение концентрации с 90% до 65% за два года хранения в литровых полиэтиленовых бутылках при комнатной температуре, но в больших объёмах и в более подходящей таре (например, в 200-литровой бочке из достаточно чистого алюминия) скорость разложения 90%-й перекиси составила бы менее 0,1% в год.
Плотность безводной перекиси водорода превышает 1450 кг/м 3 , что значительно больше, чем у жидкого кислорода, и немногим меньше, чем у азотнокислых окислителей. К сожалению, примеси воды быстро уменьшают её, так что 90%-й раствор имеет плотность 1380 кг/м 3 при комнатной температуре, но это всё ещё очень неплохой показатель.
Перекись в ЖРД может применяться и как унитарное топливо, и как окислитель - например, в паре с керосином или спиртом. Ни керосин, ни спирт не самовоспламеняются с перекисью, и для обеспечения зажигания в горючее приходится добавлять катализатор разложения перекиси - тогда выделяющегося тепла достаточно для воспламенения. Для спирта подходящим катализатором является ацетат марганца (II). Для керосина тоже существуют соответствующие добавки, но их состав держится в секрете.
Применение перекиси как унитарного топлива ограничено её сравнительно низкими энергетическими характеристиками. Так, достигаемый удельный импульс в вакууме для 85%-й перекиси составляет лишь порядка 1300…1500 м/с (для разных степеней расширения), а для 98%-й - примерно 1600…1800 м/с. Тем не менее, перекись была применена сначала американцами для ориентации спускаемого аппарата космического корабля «Меркурий», затем, с той же целью, советскими конструкторами на СА КК «Союз». Кроме того перекись водорода используется как вспомогательное топливо для привода ТНА - впервые на ракете V-2 , а затем на её «потомках», вплоть до Р-7 . Все модификации «семёрок», включая самые современные, по-прежнему используют перекись для привода ТНА.
В качестве окислителя перекись водорода эффективна с различными горючими. Хотя она и даёт меньший удельный импульс, нежели чем жидкий кислород, но при применении перекиси высокой концентрации значения УИ превышают таковые для азотнокислотных окислителей с теми же горючими. Из всех ракет-носителей космического назначения лишь одна использовала перекись (в паре с керосином) - английская «Black Arrow». Параметры её двигателей были скромны - УИ двигателей I ступени немногим превышал 2200 м/с у земли и 2500 м/с в вакууме, - так как в этой ракете использовалась перекись всего лишь 85% концентрации. Сделано это было из-за того, что для обеспечения самовоспламенения перекись разлагалась на серебряном катализаторе. Более концентрированная перекись расплавила бы серебро.
Несмотря на то, что интерес к перекиси время от времени активизируется, перспективы её остаются туманными. Так, хотя советский ЖРД РД-502 (топливная пара - перекись плюс пентаборан) и продемонстрировал удельный импульс 3680 м/с, он так и остался экспериментальным.
В наших проектах мы ориентируемся на перекись ещё и потому, что двигатели на ней оказываются более «холодными», чем аналогичные двигатели с таким же УИ, но на других топливах. Например, продукты сгорания «карамельного» топлива имеют почти на 800° большую температуру при том же достигаемом УИ. Это связано с большим количеством воды в продуктах реакции перекиси и, как следствие, с низкой средней молекулярной массой продуктов реакции.

Перекись водорода H2O2 - прозрачная бесцветная жидкость, заметно более вязкая, чем вода, с характерным, хотя и слабым запахом. Безводную перекись водорода трудно получить и хранить, и она является слишком дорогой для использования в качестве ракетного топлива. Вообще, дороговизна - один из главных недостатков перекиси водорода. Зато, по сравнению с другими окислителями, она более удобна и менее опасна в обращении.
Склонность перекиси к самопроизвольному разложению традиционно преувеличивается. Хотя мы и наблюдали снижение концентрации с 90% до 65% за два года хранения в литровых полиэтиленовых бутылках при комнатной температуре, но в больших объёмах и в более подходящей таре (например, в 200-литровой бочке из достаточно чистого алюминия) скорость разложения 90%-й перекиси составила бы менее 0,1% в год.
Плотность безводной перекиси водорода превышает 1450 кг/м3, что значительно больше, чем у жидкого кислорода, и немногим меньше, чем у азотнокислых окислителей. К сожалению, примеси воды быстро уменьшают её, так что 90%-й раствор имеет плотность 1380 кг/м3 при комнатной температуре, но это всё ещё очень неплохой показатель.
Перекись в ЖРД может применяться и как унитарное топливо, и как окислитель - например, в паре с керосином или спиртом. Ни керосин, ни спирт не самовоспламеняются с перекисью, и для обеспечения зажигания в горючее приходится добавлять катализатор разложения перекиси - тогда выделяющегося тепла достаточно для воспламенения. Для спирта подходящим катализатором является ацетат марганца (II). Для керосина тоже существуют соответствующие добавки, но их состав держится в секрете.
Применение перекиси как унитарного топлива ограничено её сравнительно низкими энергетическими характеристиками. Так, достигаемый удельный импульс в вакууме для 85%-й перекиси составляет лишь порядка 1300…1500 м/с (для разных степеней расширения), а для 98%-й - примерно 1600…1800 м/с. Тем не менее, перекись была применена сначала американцами для ориентации спускаемого аппарата космического корабля «Меркурий», затем, с той же целью, советскими конструкторами на СА КК «Союз». Кроме того перекись водорода используется как вспомогательное топливо для привода ТНА - впервые на ракете V-2, а затем на её «потомках», вплоть до Р-7. Все модификации «семёрок», включая самые современные, по-прежнему используют перекись для привода ТНА.
В качестве окислителя перекись водорода эффективна с различными горючими. Хотя она и даёт меньший удельный импульс, нежели чем жидкий кислород, но при применении перекиси высокой концентрации значения УИ превышают таковые для азотнокислотных окислителей с теми же горючими. Из всех ракет-носителей космического назначения лишь одна использовала перекись (в паре с керосином) - английская «Black Arrow». Параметры её двигателей были скромны - УИ двигателей I ступени немногим превышал 2200 м/с у земли и 2500 м/с в вакууме, - так как в этой ракете использовалась перекись всего лишь 85% концентрации. Сделано это было из-за того, что для обеспечения самовоспламенения перекись разлагалась на серебряном катализаторе. Более концентрированная перекись расплавила бы серебро.
Несмотря на то, что интерес к перекиси время от времени активизируется, перспективы её остаются туманными. Так, хотя советский ЖРД РД-502 (топливная пара - перекись плюс пентаборан) и продемонстрировал удельный импульс 3680 м/с, он так и остался экспериментальным.
В наших проектах мы ориентируемся на перекись ещё и потому, что двигатели на ней оказываются более «холодными», чем аналогичные двигатели с таким же УИ, но на других топливах. Например, продукты сгорания «карамельного» топлива имеют почти на 800° большую температуру при том же достигаемом УИ. Это связано с большим количеством воды в продуктах реакции перекиси и, как следствие, с низкой средней молекулярной массой продуктов реакции.

Торпедные двигатели: вчера и сегодня

ОАО «НИИ мортеплотехники» осталось единственным предприятием в Российской Федерации, осуществляющим полномасштабную разработку тепловых энергоустановок

В период от основания предприятия и до середины 1960-х гг. главное внимание уделялось разработке турбинных двигателей для противокорабельных торпед с рабочим диапазоном работы турбин на глубинах 5-20 м. Противолодочные торпеды проектировались тогда только на электроэнергетике. В связи с условиями применения противокорабельных торпед важными требованиями к энергосиловым установкам были максимально возможная мощность и визуальная незаметность. Требование по визуальной незаметности легко выполнялось за счет применения двухкомпонентного топлива: керосина и маловодного раствора перекиси водорода (МПВ) концентрации 84%. В продуктах сгорания содержался водяной пар и двуокись углерода. Выхлоп продуктов сгорания за борт осуществлялся на расстоянии 1000-1500 мм от органов управления торпедой, при этом пар конденсировался, а двуокись углерода быстро растворялась в воде так, что газообразные продукты сгорания не только не достигали поверхности воды, но и не оказывали влияния на рули и гребные винты торпеды.

Максимальная мощность турбины, достигнутая на торпеде 53-65, составила 1070 кВт и обеспечивала движение со скоростью около 70 узлов. Это была самая скоростная торпеда в мире. Для снижения температуры продуктов сгорания топлива с 2700-2900 К до приемлемого уровня в продукты сгорания впрыскивалась морская вода. На начальной стадии работ соли из морской воды осаждались в проточной части турбины и приводили к ее разрушению. Это происходило до тех пор, пока не были найдены условия безаварийной работы, минимизирующие влияние солей морской воды на работоспособность газотурбинного двигателя.

При всех энергетических преимуществах перексида водорода как окислителя, его повышенная пожаровзрывоопасность при эксплуатации диктовала поиск применения альтернативных окислителей. Одним из вариантов подобных технических решений была замена МПВ на газообразный кислород. Турбинный двигатель, разработанный на нашем предприятии, сохранился, а торпеда, получившая обозначение 53-65К, успешно эксплуатировалась и не снята с вооружения ВМФ до сих пор. Отказ от применения МПВ в торпедных тепловых энергосиловых установках привел к необходимости проведения многочисленных научно-исследовательских работ по поиску новых топлив. В связи с появлением в середине 1960-х гг. атомных подводных лодок, имеющих высокие скорости подводного движения, противолодочные торпеды с электроэнергетикой оказались малоэффективными. Поэтому наряду с поиском новых топлив исследовались новые типы двигателей и термодинамические циклы. Наибольшее внимание было уделено созданию паротурбинной установки, работающей в замкнутом цикле Ренкина. На этапах предварительной как стендовой, так и морской отработки таких агрегатов, как турбина, парогенератор, конденсатор, насосы, клапана и всей системы в целом использовалось топливо: керосин и МПВ, а в основном варианте – твердое гидрореагирующее топливо, обладающее высокими энергетическими и эксплуатационными показателями.

Паротурбинная установка была успешно отработана, но работы по торпеде были остановлены.

В 1970-1980-х гг. большое внимание уделялось разработке газотурбинных установок открытого цикла, а также комбинированного цикла с применением в системе газовыхлопа эжектора на больших глубинах работы. В качестве топлива использовались многочисленные рецептуры жидкого монотоплива типа Otto-Fuel II, в том числе с добавками металлического горючего, а также с применением жидкого окислителя на основе гидроксил аммония перхлорат (НАР).

Практический выход получило направление создания газотурбинной установки открытого цикла на топливе типа Otto-Fuel II. Был создан турбинный двигатель мощностью более 1000 кВт для ударной торпеды калибра 650 мм.

В середине 1980-х гг. по результатам проведенных исследовательских работ руководством нашего предприятия было принято решение о развитии нового направления – разработки для универсальных торпед калибра 533 мм аксиально-поршневых двигателей на топливе типа Otto-Fuel II. Поршневые двигатели по сравнению с турбинными обладают более слабой зависимостью экономичности от глубины хода торпеды.

С 1986-го по 1991 гг. был создан аксиально-поршневой двигатель (модель 1) мощностью около 600 кВт для универсальной торпеды калибра 533 мм. Он успешно прошел все виды стендовых и морских испытаний. В конце 1990-х годов в связи с уменьшением длины торпеды была создана вторая модель этого двигателя путем модернизации в части упрощения конструкции, повышении надежности, исключения дефицитных материалов и внедрения многорежимности. Эта модель двигателя принята в серийной конструкции универсальной глубоководной самонаводящейся торпеды.

В 2002 г. ОАО «НИИ мортеплотехники» было поручено создание энергосиловой установки для новой легкой противолодочной торпеды калибра 324 мм. После анализа всевозможных типов двигателей, термодинамических циклов и топлив выбор был сделан также, как и для тяжелой торпеды, в пользу аксиально-поршневого двигателя открытого цикла на топливе типа Otto-Fuel II.

Однако при проектировании двигателя был учтен опыт слабых сторон конструкции двигателя тяжелой торпеды. Новый двигатель имеет принципиально другую кинематическую схему. В нем отсутствуют элементы трения в топливоподающем тракте камеры сгорания, что исключило возможность взрыва топлива в процессе работы. Вращающиеся части хорошо сбалансированы, а приводы вспомогательных агрегатов значительно упрощены, что привело к снижению виброактивности. Внедрена электронная система плавного регулирования расхода топлива и соответственно мощности двигателя. Практически отсутствуют регуляторы и трубопроводы. При мощности двигателя 110 кВт во всем диапазоне требуемых глубин, на малых глубинах он допускает удвоение мощности при сохранении работоспособности. Широкий диапазон параметров работы двигателя позволяет использовать его в торпедах, антиторпедах, самодвижущихся минах, средствах гидроакустического противодействия, а также в автономных подводных аппаратах военного и гражданского назначения.

Все эти достижения в области создания торпедных энергосиловых установок были возможны в связи с наличием в ОАО «НИИ мортеплотехники» уникальных экспериментальных комплексов, созданных как собственными силами, так и за счет государственных средств. Комплексы располагаются на территории около 100 тыс.м2. Они обеспечены всеми необходимыми системами энергоснабжения, в том числе системами воздуха, воды, азота и топлив высокого давления. В испытательные комплексы входят системы утилизации твердых, жидких и газообразных продуктов сгорания. В комплексах имеются стенды для испытаний макетных и полномасштабных турбинных и поршневых двигателей, а также двигателей других типов. Имеются, кроме того, стенды для испытаний топлив, камер сгорания, различных насосов и приборов. Стенды оснащены электронными системами управления, измерения и регистрации параметров, визуального наблюдения испытуемых объектов, а также аварийной сигнализацией и защитой оборудования.